WO2012159138A1 - Vorrichtung zur detektion von reflektiertem, in einem objekt gestreutem licht - Google Patents

Vorrichtung zur detektion von reflektiertem, in einem objekt gestreutem licht Download PDF

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WO2012159138A1 PCT/AT2012/000139 AT2012000139W WO2012159138A1 WO 2012159138 A1 WO2012159138 A1 WO 2012159138A1 AT 2012000139 W AT2012000139 W AT 2012000139W WO 2012159138 A1 WO2012159138 A1 WO 2012159138A1
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laser
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Bernhard Lendl
Bernhard ZACHHUBER
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    • G01N2201/1053—System of scan mirrors for composite motion of beam

Definitions

  • the vorl iegende 'invention relates to apparatus for examination of an object with a laser and with a lens
  • the present invention further relates to a method for detecting light scattered in an object.
  • Such substances may be housed in containers, such as water bottles, luggage or trash cans, and present significant hazards, such as explosion. If the container is opened in order to check the contents, this already poses a danger to persons and devices staying in the area of the container.
  • the laser beam directed to the material layer.
  • the prior art discloses various methods for detecting substances based on RAMAN spectroscopy. Among other things, different laser frequencies or the different transit times of photons generated near the surface in deeper
  • PCT application WO 2006/061565 A1 discloses an apparatus and a method for determining the properties of tissue arranged below the surface of a living being.
  • a "spatial offset Raman spectroscopy" SORS
  • one or more irradiation points or one or more detection zones can be provided in order to ensure different distances between irradiation points and detection areas
  • the detection zones can be radially spaced from an irradiation point
  • the backscattered photons can be picked up by means of optical fibers and are finally fed to an analysis device .
  • An optical device can be arranged between the tissue to be examined and a detection device in order to transmit light from different regions of the tissue surface to the detection device
  • the optical device is displaceably arranged perpendicularly to the tissue surface for this purpose, however, the device described is not suitable for a safe determination of a RAMAN spectrum from a safe environment Removal to an unknown substance suitable.
  • the PCT application WO 2009/105009 A1 relates to a method and an apparatus for detecting hazardous substances from greater distances, such as 50 m.
  • the substance to be examined is located, for example, in a container which is irradiated with a short laser pulse of, for example, a few nanoseconds, after which the backscattered light is collected in an optical device and fed via an optical fiber to a spectrometer.
  • the laser frequency is chosen close to or exactly at the absorption frequency of the substance under investigation. At this frequency, the RAMAN spectrum shows a high peak.
  • the measurement is therefore with numerous different laser frequencies.
  • An article from the University of Hawaii describes the detection of explosive or other dangerous substances by means of a pulsed laser with a pulse width of 8 ns and an 85 mm Nikon camera lens with an integration time of 1 to 10 s.
  • the detection of the substances can take place here, for example, a distance of 50 m.
  • the RAMAN spectrum of the atmosphere between the detection device and the target the RAMAN spectrum around the target itself or the RAMAN spectrum of both the atmosphere and the target can be detected.
  • the method thus varies the influence of the atmosphere on the measurement result by the choice of the gate time and is suitable for the determination of a substance when there is no need to distinguish layers at different depths.
  • the article by P. Matousek describes the discrimination of RAMAN signals emanating from different depths of a diffusive-scattering material using a pulsed laser with a pulse width of 1 ps and a gating process with a gating time of 4 ps.
  • the method uses the different transit time of photons depending on the depth and detects by gating substantially only those photons that emerge from a respective depth. Precise timing in the picosecond range is therefore required for this device.
  • the device is not suitable for the detection of substances from a greater or safer distance.
  • the devices or methods according to the prior art are thus basically suitable for the determination of substances arranged behind a material layer, but each have disadvantages.
  • the methods are either only feasible from a small distance, they are time-consuming because they have to be performed with numerous laser frequencies, they are insufficiently differentiated between different deep layers of the substance or they are costly because of the requirement for very precise timings.
  • the device and the method should enable the detection of photons scattered and reflected in a substance, wherein the substance can be arranged in at least one object, for example a container. Since the substance can be dangerous to humans and devices, detection from a safe distance should be possible.
  • the RAMAN photons which are formed in layers of different depths in the object or substance should be detected as well as possible.
  • the device should also be inexpensive.
  • the object is achieved in that for a variable adjustment of an angle between the laser beam and the longitudinal axis of the optical system or for a variable adjustment of a distance of the laser beam to the longitudinal axis of the optical system, a deflection device is arranged.
  • RAMAN photons By directing a laser beam at an object, for example a container containing the substance to be detected, RAMAN photons are produced within the container wall and the contents of the container, which are reflected back across the container surface and detected by the optical system.
  • the spectrum of these photons is characteristic of the chemical composition of the container wall or the content.
  • RAMA photons from different depths can be detected. For short distances, mainly photons generated in the object or container surface are detected, while with increasing distance photons can be detected from deeper areas.
  • the aim of the invention is to be able to analyze the contents of a container safely from a safe distance.
  • a deflection device is provided with which the distance between the point of impact of the laser beam and the longitudinal axis of the optical system can be varied from a safe distance.
  • the photons that are formed at different depths ⁇ can be detected by varying the angle or distance between the laser beam and the longitudinal axis of the optical system.
  • the distance between the point at which the laser beam impinges on the object surface and the fictitious point at which the imaginary longitudinal axis of the optical system strikes the object surface is officially to be understood here ,
  • the term spectrograph, optical filter, transformer and the light incidence duration limiting means is the respective functional unit and not necessarily an independent device to understand.
  • some functional units may be housed in a common device without departing from the scope of the invention.
  • the transformer can be arranged within a device called a spectrograph.
  • the deflecting device has at least one rotatably or displaceably arranged mirror.
  • the use of mirrors is a cost effective way to deflect a laser beam.
  • the angle between the laser beam and the longitudinal axis of the optical system can be changed in a simple manner.
  • a combination of any number of rotatable mirrors may be combined with any number of fixed mirrors to deflect the laser beam.
  • the laser beam may, after it leaves the deflection, be guided substantially parallel to the longitudinal axis of the optical system on the object surface.
  • the laser beam may be guided laterally, ie not coaxially or not parallel to the longitudinal axis of the optical system, onto the object surface. In the latter case, however, the angle, the distance or both can still be varied with the aid of the deflection device.
  • the variation of the distance is to be understood here as meaning that the laser beam is displaced in parallel for the variation of the distance on the object surface.
  • the deflection device has a drive unit for continuously changing the angle or the distance between the laser beam and the longitudinal axis of the optical system.
  • a drive unit for continuously changing the angle or the distance between the laser beam and the longitudinal axis of the optical system.
  • the spectrograph or the optical filter is followed by a transformer for converting the optical signal into an electrical signal and the laser is pulsed, and either the spectrograph or the optical filter or the transformer is preceded by the light incidence limiting device or the transformer has a control for its pulsed activation / deactivation or is connected to it. bound.
  • the pulsing of the laser and the arrangement of the light incidence limiting device, or generally a Lichteinfallsdauerdauer means, or the activatable / deactivatable transformer allows the use of the device according to the invention in an ambient light having area without the ambient light, the optical signal in a would affect the measurement result significantly disturbing way.
  • the pulse duration of the laser is preferably from a few ps to a few tens of ns.
  • the optical signal to be understood is the light scattered in the object to be examined, reflected or also transported further.
  • the terms upstream and downstream refer to the further course of the optical signal.
  • the transformer and the spectrograph can be arranged in a common device, but the optical signal reaches in its further course first the transformer upstream spectrograph.
  • the optical filter has a fixed or adjustable wavelength passband, wherein the fixed wavelength passband optical filter is optionally detachably arranged for exchange with an optical filter having a different wavelength passband.
  • the filter has the narrowest possible wavelength range in order to achieve the highest possible resolution of the
  • each with a different wavelength transmission range further spectral information can be assigned to the region of the object surface detected by the optical system.
  • multiple filters are used interchangeably in the device.
  • a single filter can be used, which has an adjustable wavelength passage range, which is also designed as narrow as possible.
  • the transformer following the optical filter is an image sensor for the simultaneous detection of several regions of a two-dimensional image.
  • the image sensor detects a two-dimensional image of an area on the object surface, the the narrowband spectral information obtained by filtering is assignable.
  • the areal extent of the detected area can in this case be significantly greater than in the case of a spectrograph connected upstream of the transformer.
  • the transformer following the spectrograph is not designed to convert the spectral information generated by the spectrograph into an electrical signal in the form of a two-dimensional arrangement for image acquisition.
  • an additional laser is arranged for generating the laser beam.
  • the two lasers generate the laser beam with mutually different wavelengths. Since different substances to be investigated can produce photons of different intensity depending on the wavelength of the laser beam RAMA refracting to them, the reliability of the measurement can advantageously be increased by irradiation with two different wavelengths.
  • the object is further achieved in that the laser beam is directed to a point on the object and the longitudinal axis of the optical system is directed to a different point on the object.
  • the distance of the laser spot on the object surface from the longitudinal axis of the optical system can be varied in order to obtain spectral information of the substance to be examined from different depths and thus information about the chemical composition of the substance. It is irrelevant in this case whether the laser beam is fed parallel to the longitudinal axis of the optical system or from the side to the object surface.
  • an angle or a distance between the laser beam and the longitudinal axis of the optical system is changed continuously. This achieves the most accurate possible adjustment of the distance between the laser beam and the longitudinal axis of the optical system on the object surface.
  • the adjustment can be carried out manually via a mechanical device or, in the case of the use of electrical or hydraulic adjusting means, by entering a defined distance value. the distance range.
  • the measuring operation is carried out with a pulsed laser beam and either the light incidence duration on the spectrograph or the optical filter or the
  • Spectrograph or the optical filter for converting the optical signal into an electrical signal downstream of the transformer synchronized to the laser pulse is limited, or the transformer synchronized to the laser pulse is activated or deactivated.
  • the pulse duration of the laser beam is preferably set in the range of a few ps to a few 10 ns.
  • the distance of the optical system or the laser to the object is determined as a function of the time between the emission of a laser beam and the detection of the optical signal, and a focusing of the optical system depending on the determined distance to the object automatically performed.
  • the determination of the distance is thus determined without additional aids using an already to be emitted laser beam and to be detected optical signal.
  • An additional step for focusing the optical system on the object surface can be omitted. This is particularly advantageous when objects at different distances to the device according to the invention should be analyzed as quickly as possible. Focusing as precisely as possible is essential for achieving high-quality measurement results.
  • the distance of the optical system or the laser to the object as a function of time between the emission of a laser beam and the detection of the optical signal is determined and an angle between the laser beam and the Longitudinal axis of the optical system, depending on the measured distance and the radial distance to be achieved between the longitudinal axis of the optical system and the laser beam on the object, automatically adjusted by the drive unit.
  • the distance of the optical system or the laser to the object is determined as a function of time between the emission of a laser beam and the detection of the optical signal and an angle between the laser beam and the longitudinal axis of the optical system, depending on the measured distance is set at different speeds by the drive unit.
  • the angle between the laser beam and the longitudinal axis of the optical system to be set for a given distance range on the object surface is greater for objects near the device than for distant objects.
  • it is essential that the angles are adjusted as precisely as possible in order to obtain the highest possible depth resolution. The latter is advantageously achievable by the fact that the change of the angle takes place slowly.
  • This waiting time can be reduced by automatically setting the angle differently depending on the distance to the object to be analyzed.
  • the container contents to be analyzed contains more than just one substance to be analyzed, whose arrangement within the container is also unknown.
  • different substances to be arranged separately from one another in a container. If only a single measurement or at least a small number of measurements were carried out with specific angles or distances between the laser beam and the longitudinal axis of the optical system, under certain circumstances only a single substance could be detected.
  • At least one measuring operation is carried out with at least one position of the longitudinal axis of the optical system and at least one different positions of the laser beam on the object to be examined, wherein for each position of the laser beam the transformer formed as an image sensor at least one optical Filter with a defined wavelength passage range is preceded or at least one wavelength passage range of the B-image sensor upstream optical filter is set.
  • the method is particularly advantageous if the content of the container is not homogeneous, ie different substances are in the container. In this case, a defined surface area, in particular the entire surface area of the object to be examined, is detected by the optical system and imaged on the image sensor.
  • This image of the Surface area is associated with that spectral information obtained by filtering the optical signal detected by the optical system.
  • the signals generated by the individual pixels of the image sensor can basically be evaluated in any geometric relationship to each other. Thus, for example, those pixels could be evaluated which are arranged in concentric circles of different diameters around the position of the laser beam on the object surface. In this way, information about the spectral range defined by the optical filter is obtained for different areas on the object surface.
  • By varying the passband of the optical filter or by exchanging an optical filter with fixed wavelength passage range for another optical filter with another fixed passband additional spectral information can be obtained for the areas to be analyzed.
  • This embodiment is particularly suitable if the content of a large-area container is to be examined for the presence of a specific substance or for the occurrence of a predefined wavelength of the RAMA signal, without the disclosed embodiment being restricted thereto.
  • the wavelength of the laser beam generated by the laser beam is varied or the laser beam is alternately generated by the laser and an additionally arranged laser with mutually different wavelength.
  • the reliability of the measurement result can be increased since the intensity of the reflected optical signal can vary depending on the wavelength of the laser beam.
  • the use of a second laser offers the advantage that the wavelengths of both lasers are not continuously variable. Rather, the two lasers are operated alternately.
  • the laser beams generated by the respective lasers can be directed by means of a suitable deflection device so that the laser beams are congruently fed to the object to be examined.
  • At least one measuring operation is carried out for the detection of the optical signals of a plurality of objects arranged one behind the other in the direction of the laser beam, with at least one position of the longitudinal axis of the optical system and at least one different position of the laser beam on the foremost object to be examined, wherein for each of the positions, the light incidence on the spectrograph or the optical filter or the transformer or the activation of the transformer is limited to those periods in which the respective detected and relayed optical signal reaches the light incidence limiting device or the transformer.
  • the limitation of the duration of light incidence on the spectrograph, the optical filter or the transformer or the temporary and thus pulse-like activation of the transformer prevents the detection of light components interfering with the measurement. in which the incidence of light or the activation of the transformer is permitted, this is synchronized with the emission of the laser beam so that as far as possible the maximum of the generated RAMAN radiation or the maximum of the optical signal is detected.
  • the light incidence limiting device or transformer is enabled / activated in those light passageway periods in which, at the time of incidence limiting device or the transformer, the propagated optical signal maximally has the RAMAN radiation from each object.
  • Fig. 1 is an illustration of the basic operation of a SORS
  • FIG. 2 is an illustration of the decrease in intensity of the light scattered and reflected in a container and its contents as a function of the distance between the laser and the longitudinal axis of the optical system on the container surface;
  • FIG. 3 shows a device for detecting reflected light scattered in an object according to the invention
  • FIG. 4 shows a device according to FIG. 3 with a different deflection device for this purpose
  • FIG. 5 shows a device according to FIG. 3 with a further deflection device
  • FIG. 6 shows a device according to FIG. 3 with yet another deflecting device
  • FIG. 7 shows a device according to FIG. 3 with yet another deflecting device
  • FIG. 8 shows RAMAN spectra of isopropanol in a plastic container for different distance values detected from 12 m distance;
  • FIG. 9 RAMAN spectra of NaClO 3 in a plastic container for different distance values detected from 12 m distance;
  • Fig. 10 shows a relationship between the field of view of the optical system and the detection of light scattered in NaClO 3 contained in a plastic container and the plastic container itself;
  • FIG. 12 shows a region of an object surface detected by an image sensor and the spectral information associated with this region
  • Fig. 13 shows a representation of several positions of the laser beam and the optical axis on a ob ektober Structure and the spectral information associated with these areas.
  • FIG. 1 shows a representation of the basic mode of operation of an SORS ("Spatial Offset Raman Spectroscopy") on the basis of a container which has a container wall 1, behind which a content 2 is arranged.
  • SORS spatial Offset Raman Spectroscopy
  • RAMAN photons are generated within the container wall 1 as well as within the contents 2, by scattering, which are given off again via the surface 3 of the container 3.
  • Those photons which emerge from the surface 3 near the laser beam L are produced for the most part by scattering in the container wall 1, while the proportion of photons from the lower layer of the content 2 is small, as shown in Fig. 1 by the arrow PI with a large proportion B of photons scattered in the container wall 1 against a small proportion I of photons scattered in the content 2.
  • the spectrum of these so-called RAMAN photons is characteristic of the chemical composition of the layer in which the photons were generated.
  • the RAMAN spectrum represents the influences of the container wall 1 or the contents 2 to different degrees.
  • Fig. 2 shows the decrease in the intensities of the detected RAMAN spectral bands of a plastic container and the isopropanol arranged therein.
  • the container is represented by a spectral band corresponding to a JULIA shift of 1248 to 1341 cm -1 and which represents isopropanol through a spectral band in the range 758 to 881 cm -1
  • the distance D increases the laser beam L and the detection area on the container surface 3 of the detected portion of the photons generated in the container 1 more than the detected proportion of the photons generated in the container contents 2.
  • FIG. 3 shows a device for detecting reflected light scattered in an object according to the invention with a laser 10, an optical system 11, a signal transmission means 12 configured as an optical waveguide, a deflection device 13 connected to a drive unit 14, and an object 15.
  • a laser 10 can in this case basically unpulsed (CW operation) or pulsed operation.
  • the laser 10 and the optical system 11 are arranged at a distance E considered safe for the respective measuring process from the object 15.
  • the laser beam L is directed to a deflection device 13, as shown in FIG. 3, but it is also possible to provide a plurality of deflection devices 13 in order to move the laser beam L in to direct an adjustable angle to the optical axis 0 on the object 15.
  • the deflector 13 may be a mirror or any other suitable means to deflect a laser beam L.
  • the deflection device 13 is arranged rotatably or pivotally, preferably as a rotatable mirror.
  • the deflection device 13 may have a drive unit 14 for substantially continuous change in the angle ⁇ .
  • the drive unit 14 can for this purpose have an electric motor, a hydraulic system or a mechanical device.
  • a deflecting device 13 different from the one shown in FIG. 3 could be provided, which rotates the laser 10 or the optical system 11 itself in order to be able to set the angle ⁇ without reflective surfaces.
  • each type of deflecting device 13 allows a variable distance D between the laser beam L and the optical axis 0 on the object surface 3, as shown by the double arrow V in FIG. 3 by way of example.
  • a further laser 10 ' may be arranged.
  • the wavelength of the laser beams generated by the lasers 10, 10 ' are different from one another.
  • the laser beams generated by the lasers 10, 10 ' are advantageously deflected by means of deflection devices in a manner which is obvious to a person skilled in the art, that the laser beams are ultimately guided substantially congruently, as if a single laser beam L of varying wavelength was directed onto the object 15 become.
  • the photons scattered in the object 15 or its contents 2 and exiting via the ob ect surface 3 are detected by means of the optical system 11.
  • the optical system 11 may comprise a lens system or a mirror system or any other suitable means for collecting the photons or ne appropriate focus on the object surface 3 to allow.
  • the optical system 11 could, for example, be a telescope and is thus an image-magnifying optical system.
  • the optical system 11 is connected to a signal transmission means 12.
  • an optical cable or optical waveguide is used as the signal transmission means in order to establish a connection to a downstream device, which has, for example, a spectrograph 16 and a transformer 17.
  • the transformer 17 serves to convert the optical signal essentially generated by the spectrograph 16 into an electrical signal.
  • a computer 18 is used for the evaluation or analysis of the RAMA spectra or in any case individual spectral bands.
  • the electrical signal generated by the transformer 17 according to the known prior art stored or wired or wirelessly transmitted.
  • the signal transmission means 12 which may be part of the optical system 11 and thus fixedly connected to it, represents a special embodiment for the connection.
  • the optical system 11 may have an interface 19.
  • This interface 19 may be, for example, the optical waveguide, a plug connection for an optical waveguide or a plug or screw connection for coupling to the spectrograph 16, an optical filter 20 arranged alternatively to the spectrograph 16 or a device 21 limiting the light incidence duration.
  • this in the case of the formation of the transformer 17 as an image sensor, it is advantageous to arrange this in the closest possible proximity to the optical filter 20 and the optical system 11, for example by means of a screw connection.
  • the spectrograph 16, the optical filter 20, or the light-incident-duration limiting device 21 may also be part of the optical system 11. This leads to a particularly compact th construction and simplified forwarding of the optical signal to the downstream means.
  • the spectrograph 16 may be integrally formed with the optical system 11 while the transformer 17 is bolted to the optical system 11.
  • interface 19 not only mechanical connections but in particular also suitable optical elements such as mirrors or lenses are to be understood.
  • the laser 10 can be operated continuously, for example in the case of an arrangement of the device in a dark room. However, should the device be exposed to the ambient light, this would superimpose the ektober Structure 3 emitted by the optical signal and thus lead to a disturbance of the measurement.
  • a light incident duration on the spectrograph 16, the optical filter 20 and the transformer 17 limiting device 21 is provided, wherein the light incident duration is controlled in synchronism with the laser pulse.
  • the light incidence period can be several ps to several tens of ns.
  • the device 21 can be connected upstream of either the spectrograph 16 or the alternatively disposable optical filter 20 or the transformer 17.
  • the device 21 may be a mechanical means or an electrical means.
  • an electrically configured device 21 can activate and deactivate the function of the transformer 17 for converting the optical signal into a corresponding electrical signal in synchronism with the laser pulse.
  • the concept of upstream is therefore also to be understood in a logical sense.
  • the transit time of the laser beam L and of the photons arriving along the optical axis O in the optical system 11 is preferably used to determine the distance E of the laser 10 and the optical system 11 from the surface 3 of the object 15.
  • the 'Spe RAMAN represent centers of photons that exit at different distances D to the laser beam L from the container surface 3, the chemical composition of the substance in different depths. Because the photons are not detected from a single point on the container surface 3 but along a planar region thereof, the corresponding RAMAN spectrum also provides information about the chemical composition of the substance in an associated depth region.
  • the RAMAN spectrum can also have shares of the chemical composition of the container wall 1 with If you want to obtain the most accurate information about the chemical composition of the substance and thus in a limited area as possible th depth range, it is therefore necessary that emerging through the surface 3 To detect photons in the smallest possible surface area.
  • the above-described determination of the distance E advantageously allows for this required focusing of the optical system 11 on the surface 3 of the object 15. If the magnification and the focusing of the optical system 11 is controlled so that its field of view on the surface 3 of the object 15, the required As small as possible surface area, the chemical composition of various layers below the surface 3 of the object 15 can be determined.
  • the laser beam L is deflected by means of a deflecting device 13 as described above.
  • the angle a required for this which is calculated from the distance E and the distance D, can be set particularly advantageously automatically by the drive unit 14, so that only a desired distance D has to be set or entered when carrying out the measuring method.
  • the drive unit 14 thereby automatically determining the corresponding range of the angle ⁇ could set
  • the method for detecting light scattered in the object 15 can be carried out at various distances E up to a few 10 m to the object 15 and at the same time the most accurate adjustment of the angle is required to obtain information regarding the chemical composition from the selected depth layers To obtain the drive unit
  • the deflector 13 control the deflector 13 at different speeds.
  • the angular range ⁇ will be larger for a given range of the distance D than for more distant objects. For this reason, it is advantageous to change the angle for nearby objects more quickly in order to reduce waiting times for the required angle adjustment as possible.
  • a slower change of the angle ⁇ is to be preferred in order to be able to set it as precisely as possible.
  • the variable setting speed is particularly advantageous when a plurality of objects 15 is to be checked, which are located at different distances E to the laser 10 and the optical system 11.
  • the device according to FIG. 3 contains a single deflecting device 13, but different deflecting devices 13 can also be used for this purpose, as shown in the examples in FIGS. 4 to 7.
  • the deflector 13 comprises a fixed deflector 13a and a rotatable deflector 13b, which deflectors may be mirrors.
  • the laser beam L is directed from the fixed deflector 13a to the rotatable deflector 13b.
  • the deflecting element 13b By turning the deflecting element 13b, the position of the laser beam L on the surface 3 of the object can be determined
  • the laser beam L firstly strikes a rotatable deflector 13a to be directed therefrom to a fixed deflector 13b and further to the surface 3. In this case, the distance of the laser beam L to the optimum see axis 0 changed
  • FIG. 6 shows a deflection device 13 with a fixed deflection element 13a and a displaceably arranged deflection element 13b, so that the laser beam L is substantially parallel to the optical axis O of the optical system 11 and directed at different distances therefrom to the surface 3.
  • the laser beam L can not be directed onto the surface 3 coaxially with the optical axis O via a fixed deflecting element 13a and a rotatable deflecting element 13b. While in this case the angle between the laser beam L and the optical axis O is varied, in one embodiment, not shown, the deflecting element 13b may be displaceably arranged in order to displace the laser beam L, which is not coaxial with the optical axis O, in parallel and thus its distance from the optical axis Axis 0 to vary.
  • This form of lateral supply of the laser beam L is for example also advantageous if the laser 10 is arranged at a greater distance from the optical system 11.
  • Figs. 8, 9 and 11 show examples of RAMA spectra of different substances arranged in a plastic container. These spectra were determined with a device comprising a Q-switched Nd: YAG NL301HT laser 10 (EKSPLA, Lithuania) with a pulse length of 4.4 ns and a repetition rate of 10 Hz. The power could be adjusted with a damping module (EKSPLA, Lithuania).
  • the laser 10 was coaxially aligned with a 6-inch Schmidt-Cassegrain telescope (CELESTRON, USA) to detect the scattered RAMAN light. The scattered light was filtered through a low-pass filter and combined by means of an optical fiber bundle consisting of nineteen fibers each with a diameter of 200 ⁇ m (AVA TES, Netherlands).
  • the optical fiber bundle resulted in an Acton Standard Series SP-2750 Spectrograph 16 equipped with three selectable grids (300, 1800 and 2400 grooves / mm) (PRINCETON INSTRUMENTS, Germany).
  • the light was finally detected with an ICCD camera 17 (PI MAX 1024RB, PRINCETON INSTRUMENTS, Germany) whose gate width can be reduced to 500 ps.
  • the laser 10 and the ICCD were The measurement window was synchronized with the maximum RAMAN signal in order to minimize signal components due to fluorescence and daylight.
  • Fig. 8 shows an example of a RAMAN spectrum of isopropanol contained in a plastic container.
  • the distance E to the measuring device was 12 m.
  • the RAMAN spectra were determined for different distances D.
  • the lowest RAMA spectrum exclusively represents the container without content 2, while the upper RAMAN spectrum represents only isopropanol.
  • the spectrum labeled "centered" shows the result of a conventional RAMA measurement from 12 m distance E, where the distance D is 0.
  • the RAMAN spectra obtained for different distances D clearly show that with increasing distance D the spectral parts of the container decrease as the spectral components of isopropanol increase.
  • FIG. 9 shows RAMAN spectra of sodium chlorate arranged in a plastic container. The measurement was again carried out from a distance E of 12 m. The lowest RAMAN spectrum again represents the chemical composition of the container without content 2, while the uppermost RA-MAN spectrum represents the reference spectrum for sodium chlorate. Once again, it can be seen that with increasing distance D the influence of the container decreases and the spectral components of sodium chlorate increase and, in particular at a distance D of 22 mm, essentially correspond to the reference RAMAN spectrum of sodium chlorate.
  • the optical axis O is in this example at a distance D of 0 mm to the laser beam L.
  • the efficiency with which the optical system 11 collects the photons are collected with decreasing efficiency.
  • Outside the field of view of the optical system 11, in this example at about 15 mm no more photons detected.
  • the proportion of photons generated in the container decreases more than the proportion of photons generated in the underlying substance.
  • a narrow field of view of the optical system 11 limits the depth range from which the photons are detected, and thus high depth resolution can be achieved. A low field of view is essential for making an accurate measurement.
  • FIG. 11 shows the RAMAN spectra of isopropanol, which is arranged in a highly fluorescent plastic container, for different values of the distance D.
  • the lowest curve here represents the RAMAN spectrum of the container itself and the uppermost curve represents isopropanol without container. From the spectra determined for different distance values D, it is clearly evident that even if the substance, in this example isopropanol, is arranged in a strongly fluorescent plastic container, it can be detected by a suitable choice of the distance value D.
  • Figs. 8 to 11 reference is made to the detection of homogeneous substances.
  • the container ' or the object 15 thus contains only a single substance to be detected.
  • the determination of the container contents 2 can take place by means of a single measurement, since different distances D and thus the evaluation of different depth layers do not provide any additional information regarding the content 2.
  • the device also allows the determination of a plurality of existing in the container, possibly unevenly distributed substances from a safe distance E. For this purpose, two forms of execution of the method with reference to FIGS. 12 and 13 described in more detail below.
  • FIGS. 12a to 12c show a two-dimensional image of a region B of the surface 3 of the object 15 on the surface
  • the laser beam L is placed in the area B to be detected, and the reflecting beam emerging from the area B via the surface 3 te light as described above an image sensor 17 supplied.
  • the region B can now be significantly larger than in the embodiment of the method described above, since the precise depth resolution takes place via the evaluation of individual or a group of pixels P of the image sensor 17.
  • Each pixel P thus captures a correspondingly small-area subregion of the region B.
  • the region B is detected by the image sensor 17, the image sensor 17 being preceded by a narrow-band optical filter 20.
  • Each measuring operation is carried out with a defined passband of the filter 20, so that the two-dimensional image of the region B is associated with the narrowest possible wavelength range.
  • the electrical signals generated by the pixels P of the image sensor 17 can be evaluated to such an extent that the respectively evaluated pixels P are in a defined geometric relationship to one another or to the laser position LP on the surface 3. For example, those pixels P can be evaluated, which are arranged approximately circularly around the laser position LP. Thus, with a single measurement, a plurality of sets of pixels P, which are each arranged in circles of different distances from the laser position LP, can be evaluated. In order to obtain more extensive information about the spectrum in addition to this area information, a plurality of measuring operations are carried out, each with different passband areas of the filter 20.
  • the filter 20 can for this purpose have an adjustable passband, or several filters 20 with fixed different passbands, or a combination thereof are used.
  • FIG. 12 a shows an image of a region B of the object 15 on the image sensor 17 and pixels P of the image sensor 17, which have the substantially equal distance D to the laser point LP.
  • FIG. 12 b shows an example of a plurality of measuring processes, each having different detected wavelength ranges, the evaluated pixels P of each measuring process being arranged in a circle around the laser position LP.
  • the diameters of the circles are varied.
  • the corresponding spectral information about the evaluated pixels P is obtained.
  • a further series of measuring operations illustrated in FIG. 12c has a changed laser position LP in the area B compared with FIG. 12b.
  • FIG. 13 shows a further embodiment of a method for determining inhomogeneous substances.
  • the detection areas on the surface 3 are again kept as small as possible in order to obtain precise depth information.
  • the laser beam L is positioned on the surface 3 and the reflected light exiting via the surface 3 is fed to a spectrograph 16.
  • the optical filter 20 is not necessary in this case, since the spectrograph 16 provides the division of the wavelength information into spectral components.
  • Each measuring operation is carried out with a defined angle ⁇ or distance between the laser beam L and the optical axis O.
  • FIG. 13 a shows an optical axis O and a laser position LP in a region B of the surface 3.
  • the optical axis is located slightly to the left of the center of the area B, and the laser position LP varies for each measuring operation. At least part of the RAMAN spectrum is determined for each measuring process.
  • FIG. 13c the position of the optical axis 0 is shifted to the right compared to FIG. 13b, and again the laser position LP is varied for each measuring process and at least part of the RAMAN spectrum is determined.
  • the invention thus serves for the determination of substances on surfaces or in a container and can be used advantageously in particular for the control of luggage in railway stations, airports or similar public areas.
  • the laser beam L could be directed directly to the object surface 3 and the deflection device 13 for the supply of the optical signal to the optical system 11 may be arranged.
  • the device can be made portable.

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Abstract

Vorrichtung zur Untersuchung eines Objekts (15) mit einem Laser (10) und mit einem Linsen und/oder Spiegel aufweisenden, bildvergrößernden optischen System (11) zur Detektion von in dem Objekt (15) gestreuten Licht, als optisches Signal, wobei das optische System (11) eine Schnittstelle (19) für die Verbindung mit einem Spektrographen (16) oder einem optischen Filter (20) oder einer die Lichteinfallsdauer begrenzenden Vorrichtung (21) aufweist und/oder das optische System (11) integral mit zumindest dem Spektrographen (16) oder dem optischen Filter (20) oder der die Lichteinfallsdauer begrenzenden Vorrichtung (21) ausgebildet ist, wobei für eine variierbare Einstellung eines Winkels (α) zwischen dem Laserstrahl (L) und der Längsachse (0) des optischen Systems (11) oder für eine variierbare Einstellung eines Abstandes des Laserstrahls (L) zu der Längsachse (0) des optischen Systems (11), eine Ablenkeinrichtung (13) angeordnet ist.

Description

Vorrichtung zur Detektion von reflektiertem,
in einem Objekt gestreutem Licht
Die vorl iegende' Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Objekts mit einem Laser und mit einem Linsen
und/oder Spiegel aufweisenden, bildvergrößernden optischen System zur Detektion von in dem Objekt gestreuten Licht, als optisches Signal, wobei das optische System eine Schnittstelle für die Verbindung mit einem Spektrographen oder einem optischen Filter oder einer die Lichteinfallsdauer begrenzenden Vorrichtung aufweist und/oder das optische System integral mit zumindest dem Spektrographen oder dem optischen Filter oder der die Lichteinfallsdauer begrenzenden Vorrichtung ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Detektion von in einem Objekt gestreutem Licht.
Um Bedrohungen für Personen und Einrichtungen durch gefährliche Substanzen möglichst effizient und zuverlässig erkennen, zu können, ist es wünschenswert Substanzen, die sich auf Oberflächen oder hinter Materialschichten, insbesondere aber hinter undurchsichtigen oder zumindest nicht klar durchsichtigen Materialschichten, verbergen, aus sicherer Entfernung detektieren zu können .
Derartige Substanzen können in Behältern, wie Wasserflaschen, Gepäckstücken oder Mülleimern, untergebracht sein und erhebliche Gefahren, beispielsweise durch Explosion, darstellen. Wird der Behälter geöffnet, um den Inhalt zu überprüfen, stellt dies bereits eine Gefährdung von sich im Bereich des Behälters aufhaltenden Personen und Einrichtungen dar.
Es ist bekannt, eine Analyse einer Substanz mittels einer RAMAN- Spektroskopie durchzuführen. Hierbei wird ein Laserstrahl auf die zu untersuchende Substanz gerichtet, wodurch in der Substanz inelastisch gestreute RAMA - Photonen erzeugt werden. Die Photonen werden detektiert und das Spektrum, das Aufschluss über die chemische Natur der Substanz gibt, wird ausgewertet.
Für die Bestimmung von Substanzen, die sich hinter einer Materialschicht befinden, wie in einem Behälter, wird der Laserstrahl auf die Materialschicht gerichtet. Der Stand der Technik offenbart verschiedene Verfahren zur Detektion von Substanzen auf Basis einer RAMAN Spektroskopie. Unter anderem werden verschiedene Laserfrequenzen oder die unterschiedlichen Laufzeiten von nahe der Oberfläche generierten Photonen gegenüber in tieferen
Schichten generierten Photonen genutzt.
Die PCT-Anmeldung WO 2006/061565 AI offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von unterhalb der Oberfläche eines Lebewesens angeordnetem Gewebe. Es wird hierbei eine „Spatial Offset Raman Spectroscopy" (SORS) angewendet, wobei ein oder mehrere Bestrahlungspunkte bzw. ein oder mehrere Detektiönsbereiche vorgesehen sein können, um unterschiedliche Abstände zwischen Bestrahlungspunkten und Detekti- onsbereichen zu gewährleisten. Die Detektiönsbereiche können von einem Bestrahlungspunkt radial beabstandet bzw. ringförmig um diesen angeordnet sein, wobei die zurückgestreuten Photonen mittels optischer Fasern aufgenommen werden können und letztendlich einer Analysevorrichtung zugeführt werden. Zwischen dem zu untersuchenden Gewebe und einer Detektionseinrichtung kann eine optische Vorrichtung angeordnet sein, um Licht von unterschiedlichen Bereichen der Gewebeoberfläche auf die Detektionseinrichtung zu lenken. Die optische Vorrichtung ist hierfür senkrecht zu der Gewebeoberfläche verschiebbar angeordnet. Die beschriebene Vorrichtung ist jedoch nicht für eine gefahrlose Bestimmung eines RAMAN- Spektrums aus sicherer Entfernung zu einer unbekannten Substanz geeignet.
Die PCT-Anmeldung WO 2009/105009 AI bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Detektion gefährlicher Substanzen aus größeren Entfernungen, wie beispielsweise 50 m. Die zu untersuchende Substanz befindet sich beispielsweise in einem Behälter, der mit einem kurzen Laserimpuls von beispielsweise einigen Nanosekunden bestrahlt wird, wonach das zurückgestreute Licht in einer optischen Vorrichtung gesammelt und über eine optische Faser einem Spektrometer zugeführt wird. Zur Detektion der Substanz wird die Laserfrequenz nahe oder exakt bei der Absorptionsf equenz der untersuchten Substanz gewählt. Bei dieser Frequenz ist im RAMAN- Spektrum eine hohe Spitze ersichtlich. Für unbekannte zu untersuchende Substanzen ist die Messung demnach mit zahlreichen unterschiedlichen Laserfrequenzen durchzuführen.
Ein Artikel der Universität Hawaii (Compact standoff Raman System for detection of homemade explosives) beschreibt die Detek- tion explosiver oder sonstiger gefährlicher Stoffe mittels eines gepulsten Lasers mit einer Pulsweite von 8 ns und einer 85 mm Nikon Kamera Linse bei einer Integrationszeit von 1 bis 10 s. Die Detektion der Stoffe kann hierbei aus beispielsweise einer Entfernung von 50 m erfolgen. Abhängig von der Gatezeit im ns- Bereich kann das RAMAN- Spektrum der Atmosphäre zwischen der De- tektionsvorrichtung und dem Ziel, das RAMAN- Spek um des Ziels selbst oder das RAMAN- Spektrum von sowohl der Atmosphäre als auch dem Ziel erfasst werden. Das Verfahren variiert somit durch die Wahl der Gatezeit den Einfluss der Atmosphäre auf das Messergebnis und ist für die Bestimmung einer Substanz geeignet, wenn keine Notwendigkeit einer Unterscheidung von Schichten in unterschiedlichen Tiefen besteht.
Der Artikel von P. Matousek (Society for Applied Spectroscopy 59 (2) (2005): 200 - 205) beschreibt die Unterscheidung von aus unterschiedlichen Tiefen eines diffus-streuenden Materials hervorgehenden RAMAN- Signalen unter Verwendung eines gepulsten Lasers mit einer Pulsbreite von 1 ps und einem Gatingverfahren mit einer Gatingzeit von 4 ps . Das Verfahren nutzt die abhängig von der Tiefe unterschiedliche Laufzeit von Photonen und detektiert mittels des Gating im Wesentlichen nur jene Photonen, die aus einer jeweiligen Tiefe hervorgehen. Für diese Vorrichtung ist demnach präzises Timing im Pikosekundenbereich erforderlich. Zudem ist die Vorrichtung nicht für die Detektion von Stoffen aus größerer bzw. sicherer Entfernung geeignet.
Die Vorrichtungen bzw. Verfahren nach dem Stand der Technik sind somit grundsätzlich für die Bestimmung von hinter einer Materialschicht angeordneten Substanzen geeignet, weisen jedoch jeweils Nachteile auf. Demnach sind die Verfahren entweder nur aus geringer Entfernung durchführbar, zeitaufwändig, da sie mit zahlreichen Laserfrequenzen durchzuführen sind, unzureichend hinsichtlich der Unterscheidung zwischen verschieden tiefen Schichten der Substanz oder mit hohem Kostenaufwand wegen der Anforderung an sehr präzise Zeitabläufe verbunden. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile vermieden bzw. reduziert werden. Die Vorrichtung und das Verfahren sollen die De- tektion von in einer Substanz gestreuten und reflektierten Photonen ermöglichen, wobei die Substanz in zumindest einem Objekt, beispielsweise einem Behälter, angeordnet sein kann. Da die Substanz für Menschen und Vorrichtungen gefährlich sein kann, soll die Detektion aus sicherer Entfernung möglich sein. Insbesondere sollen die RAMAN- Photonen, die in unterschiedlich tiefen Schichten in dem Objekt oder der Substanz entstehen, möglichst gut unterscheidbar detektiert werden. Die Vorrichtung soll zudem kostengünstig sein.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass für eine variierbare Einstellung eines Winkels zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems oder für eine variierbare Einstellung eines Abstandes des Laserstrahls zu der Längsachse des optischen Systems eine Ablenkeinrichtung angeordnet ist.
Indem ein Laserstrahl auf ein Objekt, beispielsweise einen Behälter, der die zu detektierende Substanz enthält, gerichtet wird, entstehen innerhalb der Behälterwand und dem Inhalt des Behälters RAMAN- Photonen, die über die Behälteroberfläche zurück reflektiert und mit dem optischen System erfasst werden. Das Spektrum dieser Photonen ist charakteristisch für die chemische Zusammensetzung der Behälterwand bzw. des Inhaltes. Abhängig von der Distanz zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems auf der Ob ektoberfläche können RAMA -Photonen aus unterschiedlichen Tiefen detektiert werden. Für geringe Distanzen werden hauptsächlich Photonen, die in der Objekt- bzw. Behälteroberfläche erzeugt werden, detektiert, während mit zunehmender Distanz Photonen aus tiefer liegenden Bereichen erfasst werden können. Ziel der Erfindung ist es, den Inhalt eines Behälters gefahrlos aus sicherer Entfernung analysieren zu können. Im Allgemeinen sind jedoch weder die Dicke der Behälterwand noch die Anordnung des Inhaltes des Behälters bekannt, etwa wenn der Inhalt zusätzlich verpackt ist. Somit existiert zum Zeitpunkt der Messung im Allgemeinen keine Information über die Tie- fe, in der die Substanz im Behälter angeordnet ist. Ebenso könnten sich mehrere Substanzen verteilt in dem Behälter befinden. Gemäß der Erfindung ist eine Ablenkeinrichtung vorgesehen, mit der aus sicherer Entfernung die Distanz zwischen dem Auftreffpunkt des Laserstrahls und der Längsachse des optischen Systems variierbar ist. Somit können die Photonen, die in unterschiedlichen Tiefen■ entstehen , durch Variation des Winkels bzw. Abstands zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems detektiert werden.
Wenn im weiteren Verlauf der Beschreibung der Begriff Distanz verwendet wird, ist hiermit offiziell die Distanz zwischen der Stelle, an welcher der Laserstrahl auf die Objektoberfläche auftrifft, und der fiktiven Stelle, an welcher die gedachte Längsachse des optischen Systems auf die Objektoberfläche trifft, zu verstehen .
Ebenso ist im Rahmen dieser Beschreibung unter den Begriffen Spektrograph, optisches Filter, Transformer und die Lichteinfallsdauer begrenzendes Mittel (die Lichteinfallsdauer begrenzende Vorrichtung) die jeweilige funktionale Einheit und nicht notwendiger Weise ein jeweils eigenständiges Gerät zu verstehen. So können einige funktionale Einheiten in einem gemeinsamen Gerät untergebracht sein ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann der Transformer innerhalb eines als Spektrograph bezeichneten Gerätes angeordnet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Ablenkeinrichtung zumindest einen drehbar oder verschiebbar angeordneten Spiegel auf . Die Verwendung von Spiegeln ist eine kostengünstige Methode einen Laserstrahl abzulenken. Mit Hilfe eines drehbar angeordneten Spiegels kann auf einfache Weise der Winkel zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems geändert werden. Ebenso kann eine Kombination einer beliebigen Anzahl drehbarer Spiegel mit einer beliebigen Anzahl feststehender Spiegel kombiniert werden, um den Laserstrahl abzulenken. Des Weiteren ist es möglich den Laserstrahl mittels zumindest eines verschiebbar angeordneten Spiegels abzulenken, bzw. drehbare, verschiebbare und fest positionierte Spiegel miteinander zu kombinieren. Der Laserstrahl kann, nachdem er die Ablenkeinrichtung verlässt, im Wesentlichen parallel zur Längsachse des optischen Systems auf die Objektoberfläche geführt werden. Ebenso ist es jedoch möglich, dass der Laserstrahl seitlich, d. h. nicht koaxial bzw. nicht parallel zu der Längsachse des optischen Systems, auf die Objektoberfläche geführt wird. In letzterem Fall kann dennoch mit Hilfe der Ablenkeinrichtung der Winkel, der Abstand oder beides variiert werden. Die Variation des Abstandes ist hierbei so zu verstehen, dass der Laserstrahl für die Variation der Distanz auf der Objektoberfläche parallel verschoben wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der Erfindung weist die Ablenkeinrichtung eine Antriebseinheit zur kontinuierlichen Veränderung des Winkels oder des Abstandes zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems auf. Für eine möglichst präzise Analyse des Behälterinhalts in unterschiedlichen Tiefen ist eine hohe Tiefenauflösung und somit eine möglichst genaue Einstellung der Distanz zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems auf der Objektoberfläche erforderlich. Da die Messung aus Sicherheitsgründen aus großer bzw. sicherer Entfernung durchführbar sein soll, werden geringe Winkeländerungen zu vergleichsweise großen Änderungen der Distanz führen. Mittels einer kontinuierlichen Veränderung des Winkels werden daher unerwünschte Sprünge in den einstellbaren Distanzwerten vermieden. Ebenso wird für den Fall, dass der Abstand zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems eingestellt wird, eine kontinuierliche Veränderung desselben eine möglichst genaue Einstellung der Distanzwerte ermöglichen. Die Ablenkeinrichtung kann beispielsweise eine mechanische Vorrichtung, einen Elektromotor oder ein hydraulisches System umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dem Spektrographen oder dem optischen Filter ein Transformer zur Umwandlung des optischen Signals in ein elektrisches Signal nachgeschaltet und der Laser ist gepulst und es ist entweder dem Spektrographen oder dem optischen Filter oder dem Transformer die die Lichteinfallsdauer begrenzende Vorrichtung vorgeschaltet, oder der Transformer weist eine Steuerung für dessen impulsweise Aktivierung/Deaktivierung auf oder ist mit dieser ver- bunden . Das Pulsen des Lasers sowie die Anordnung der die Lichteinfallsdauer begrenzenden Vorrichtung, bzw. allgemein eines die Lichteinfallsdauer begrenzenden Mittels, oder des aktivierbaren/deaktivierbaren Transformers ermöglicht die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Umgebungs licht aufweisenden Bereich, ohne dass das Umgebungslicht das optische Signal in einer das Messergebnis nennenswert störenden Weise beeinflussen würde. Die Pulsdauer des Lasers beträgt vorzugsweise einige ps bis einige 10 ns . Als optisches Signal ist hierbei das in dem zu untersuchenden Objekt gestreute, reflektierte bzw. auch weiter transportierte Licht zu verstehen. Es sei ferner erwähnt, dass sich die Begriffe vorgeschaltet und nachgeschaltet auf den weiteren Verlauf des optischen Signals beziehen. So können der Transformer und der Spektrograph in einem gemeinsamen Gerät angeordnet sein, das optische Signal erreicht jedoch in seinem weiteren Verlauf zuerst den dem Transformer vorgeschalteten Spektrographen .
Vorteilhafter Weise weist das optische Filter einen festen oder einstellbaren Wellenlängen-Durchlassbereich auf, wobei das optische Filter mit festem Wellenlängen-Durchlassbereich optional, zum Austausch gegen ein optisches Filter mit hierzu unterschiedlichem Wellenlängen-Durchlassbereich, abnehmbar angeordnet ist. Das Filter weist hierbei einen möglichst schmalen Wel lenlängen- durchlassbereich auf, um eine möglichst hohe Auflösung der
Spektralinformation zu erhalten. Durch Verwendung unterschiedlicher Filter mit jeweils unterschiedlichem Wellenlängendurch- lassbereich können dem mit dem optischen System erfassten Bereich auf der Objektoberfläche weitere Spektralinformationen zugeordnet werden. Für diesen Fall, dass mehrere Filter verwendet werden, sind diese in der Vorrichtung austauschbar angeordnet. Alternativ hierzu kann ein einziges Filter verwendet werden, welches einen einstellbaren Wellenlängendurchlassbereich , der ebenfalls möglichst schmalbandig ausgeführt ist, aufweist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der dem optischen Filter nachgeschaltete Transformer ein Bildsensor für die gleichzeitige Erfassung mehrerer Bereiche eines zweidimensionalen Bildes ist. In dieser Ausführungsform erfasst der Bildsensor ein zweidimensionales Abbild eines Bereiches auf der Objektoberfläche, dem die durch Filterung erhaltene schmalbandige Spektralinformation zuordenbar ist. Die Flächenausdehnung des erfassten Bereiches kann hierbei deutlich größer als im Falle eines dem Transformer vorgeschalteten Spektrographen sein. Der dem Spektrographen nachgeschaltete Transformer ist zur Umwandlung der vom Spektrographen erzeugten spektralen Information in ein elektrisches Signal nicht in Form einer zweidimensionalen Anordnung zur Bilderfassung ausgebildet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form ist zur Generierung des Laserstrahls ein zu dem Laser zusätzlicher Laser angeordnet. Die beiden Laser generieren hierbei den Laserstrahl mit zueinander unterschiedlicher Wellenlänge. Da unterschiedliche zu untersuchende Substanzen abhängig von der Wellenlänge des auf diese auf reffenden Laserstrahls RAMA Photonen mit unterschiedlicher Intensität erzeugen können, kann hiermit vorteilhaft durch Bestrahlung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen die Zuverlässigkeit der Messung erhöht werden.
Die Aufgabe wird weiters dadurch gelöst, dass der Laserstrahl auf einen Punkt am Objekt gerichtet wird und die Längsachse des optischen Systems auf einen hierzu unterschiedlichen Punkt am Objekt gerichtet wird. Hierdurch kann die Distanz des Laserpunktes auf der Objektoberfläche von der Längsachse des optischen Systems variiert werden, um spektrale Information der zu untersuchenden Substanz aus unterschiedlichen Tiefen und somit Informationen über die chemische Zusammensetzung der Substanz zu erhalten. Es ist hierbei unwesentlich, ob der Laserstrahl parallel zu der Längsachse des optischen Systems oder von der Seite auf die Objektoberfläche zugeführt wird.
Gemäß einer besonderen Aus führungs form der vorliegenden Erfindung wird ein Winkel oder ein Abstand zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems kontinuierlich verändert. Hiermit wird eine möglichst genaue Einstellung der Distanz zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems auf der Objektoberfläche erreicht. Die Einstellung kann händisch über eine mechanische Vorrichtung durchgeführt werden oder im Falle der Verwendung elektrischer oder hydraulischer Einstellmittel durch Eingabe eines definierten Distanzwertes o- der Distanzbereiches.
Vorteilhafter Weise wird der Messvorgang mit einem gepulsten Laserstrahl durchgeführt und entweder die Lichteinfallsdauer auf den Spektrographen oder das optische Filter oder einen dem
Spektrographen oder dem optischen Filter zur Umwandlung des optischen Signals in ein elektrisches Signal nachgeschalteten Transformer auf den Laserimpuls synchronisiert begrenzt, oder der Transformer auf den Laserimpuls synchronisiert aktiviert bzw. deaktiviert. Die Pulsdauer des Laserstrahls wird hierbei vorzugsweise im Bereich einiger ps bis einiger 10 ns eingestellt. Der Messvorgang mit einem gepulsten Laser ermöglicht die Anwendung des Verfahrens in einem Umgebungslicht aufweisenden Raum, ohne dass das Umgebungslicht den Messvorgang nennenswert störend beeinflussen würde. Um möglichst nur das von der Oberfläche abgegebene optische Signal zu erfassen, wird die Lichteinfallsdauer auf den Spektrographen, das optische Filter oder den Transformer synchron zu dem Laserimpuls begrenzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Entfernung des optischen Systems bzw. des Lasers zu dem Objekt als Funktion der Zeit zwischen dem Aussenden eines Laserstrahls und der Detektion des optischen Signals bestimmt und eine Fokussierung des optischen Systems abhängig von der ermittelten Entfernung zu dem Objekt automatisch durchgeführt. Die Bestimmung der Entfernung wird somit ohne zusätzliche Hilfsmittel unter Verwendung eines ohnehin auszusendenden Laserstrahls und zu detektierenden optischen Signals bestimmt. Ein zusätzlicher Arbeitsschritt für die Fokussierung des optischen Systems auf der Objektoberfläche kann entfallen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn Objekte in unterschiedlichen Entfernungen zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglichst zeitsparend analysiert werden sollen. Eine möglichst genaue Fokussierung ist wesentlich für die Erzielung hochwertiger Messergebnisse.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Entfernung des optischen Systems bzw. des Lasers zu dem Objekt als Funktion der Zeit zwischen dem Aussenden eines Laserstrahls und der Detektion des optischen Signals bestimmt und ein Winkel zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems, abhängig von der gemessenen Entfernung und dem zu erzielenden radialen Abstand zwischen der Längsachse des optischen Systems und dem Laserstrahl auf dem Objekt, automatisch durch die Antriebseinheit eingestellt. Da für einen fest eingestellten Winkel die Distanz zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems auf der Objektoberfläche für verschiedene Entfernungen unterschiedlich groß ist, kann mit Hilfe dieser automatischen Winkeleinstellung ein zusätzlicher Arbeitsschritt der Anpassung des Winkels an die jeweilige Entfernung zu dem zu untersuchenden Objekt entfallen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn Objekte in unterschiedlicher Entfernung zu der Vorrichtung möglichst zeitsparend untersucht werden sollen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Entfernung des optischen Systems bzw. des Lasers zu dem Objekt als Funktion der Zeit zwischen dem Aussenden eines Laserstrahls und der Detektion des optischen Signals bestimmt wird und ein Winkel zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems, abhängig von der gemessenen Entfernung, unterschiedlich rasch durch die Antriebseinheit eingestellt wird. Grundsätzlich ist der für einen vorgegebenen Distanzbereich auf der Objektoberfläche einzustellende Winkel zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems für Objekte nahe der Vorrichtung größer als für entfernte Objekte. Zudem ist es wesentlich, dass die Winkel, um eine möglichst hohe Tiefenauflösung zu erhalten, möglichst genau eingestellt werden. Letzteres ist vorteilhaft dadurch erzielbar, dass die Änderung des Winkels langsam erfolgt. Ist jedoch das zu untersuchende Objekt nahe der Vorrichtung angeordnet, würde dies wegen der grundsätzlich größeren erforderlichen Winkeländerung zu unnötiger Wartezeit zwischen den Messungen führen. Diese Wartezeit kann dadurch verringert werden, dass der Winkel abhängig von der Entfernung zu dem zu analysierenden Objekt unterschiedlich rasch automatisch eingestellt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere Messvorgänge durchgeführt werden, mit zumindest einer Position der Längsachse des optischen Systems und mehreren hierzu unterschiedlichen Positionen des Laserstrahls auf dem zu untersuchenden Objekt. Indem die Position des Laserstrahls auf der Objektoberfläche in Bezug auf die Längsachse des optischen Systems variiert wird, können Informationen über die chemische Zusammensetzung, des zu untersuchenden Inhaltes eines Behälters aus verschiedenen Tiefenbereichen hinter bzw. unterhalb eines Flächenbereichs der Oberfläche erhalten werden. Wenn dieser Vorgang zudem für verschiedenen Positionen der Längsachse des optischen Systems auf der Objektoberfläche durchgeführt wird, können somit Informationen . über die chemische Zusammensetzung der zu untersuchenden Substanz in einem durch die Positionen der Längsachse des optischen Systems und des Laserstrahls definierten Volumenbereich erlangt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der zu analysierende Behälterinhalt mehr als nur eine zu analysierende Substanz enthält, deren Anordnung innerhalb des Behälters zudem unbekannt ist. So wäre es beispielsweise denkbar, dass verschiedene Substanzen getrennt voneinander verpackt in einem Behälter angeordnet sind. Würde nur eine einzige Messung oder zumindest eine geringe Anzahl von Messungen mit bestimmten Winkeln oder Abständen zwischen dem Laserstrahl und der Längsachse des optischen Systems durchgeführt, so könnte unter Umständen nur eine einzige Substanz detektiert werden. Durch die Positionierung des Laserstrahls bzw. der Längsachse des optischen Systems entlang größerer Objektoberflächen kann jedoch sichergestellt werden, dass ein entsprechend größerer Volumsbereich des Behälterinhaltes detektiert wird.
Es ist des Weiteren besonders vorteilhaft, wenn zumindest ein Messvorgang durchgeführt wird mit zumindest einer Position der Längsachse des optischen Systems und zumindest einer hierzu unterschiedlichen Positionen des Laserstrahls auf dem zu untersuchenden Objekt, wobei für jede Position des Laserstrahls dem als Bildsensor ausgebildeten Transformer zumindest ein optisches Filter mit definiertem Wellenlängendurchlassbereich vorgeschaltet wird oder zumindest ein Wellenlängendurchlassbereich eines dem B-ildsensor vorgeschalteten optischen Filters eingestellt wird. Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Inhalt des Behälters nicht homogen ist, sich also unterschiedliche Substanzen in dem Behälter befinden. Mit dem optischen System wird hierbei ein definierter Flächenbereich, insbesondere auch der gesamte Oberflächenbereich des zu untersuchenden Objektes, erfasst und auf dem Bildsensor abgebildet. Dieses Abbild des Oberflächenbereiches wird mit jener spektralen Information assoziiert, die durch Filterung des vom optischen System erfassten optischen Signals erhalten wird. Die von den einzelnen Bildpunkten des Bildsensors erzeugten Signale können grundsätzlich in beliebigem geometrischen Zusammenhang zueinander ausgewertet werden. So könnten beispielsweise jene Bildpunkte ausgewertet werden, die in konzentrischen Kreisen unterschiedlicher Durchmesser um die Position des Laserstrahls auf der Objektoberfläche angeordnet sind. Auf diese Weise erhält man für verschiedene Bereiche auf der Objektoberfläche Informationen über den durch das optische Filter definierten Spektralbereich. Durch Variation des Durchlassbereiches des optischen Filters oder Austauschen eines optischen Filters mit fest eingestelltem Wellenlängendurchlass- bereich gegen ein anderes optisches Filter mit einem anderen fest eingestellten Durchlassbereich kann für die zu analysierenden Flächenbereiche zudem zusätzliche spektrale Information erhalten werden. Diese Aus führungs form ist besonders geeignet, wenn der Inhalt eines großflächigen Behälters auf das Vorhandensein einer bestimmten Substanz bzw. auf das Auftreten einer vorab definierten Wellenlänge des RAMA -Signals untersucht werden soll, ohne dass die Aus führungs form hierauf beschränkt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungs form wird die Wellenlänge des mit dem Laser generierten Laserstrahls variiert oder der Laserstrahl wird alternierend von dem Laser und einem hierzu zusätzlich angeordneten Laser mit zueinander unterschiedlicher Wellenlänge generiert. Durch die Bestrahlung des zu untersuchenden Objekts mit unterschiedlichen Wellenlängen des Laserstrahls kann die Zuverlässigkeit des Messergebnisses erhöht werden, da die Intensität des reflektierten optischen Signals abhängig von der Wellenlänge des Laserstrahls variieren kann. Gegenüber der Variation der Wellenlänge des von einem einzigen Laser erzeugten Laserstrahls bietet die Verwendung eines zweiten Lasers den Vorteil, dass die Wellenlängen beider Laser nicht laufend zu variieren sind. Vielmehr werden die beiden Laser alternierend betrieben. Die von den jeweiligen Lasern generierten Laserstrahlen können mittels einer geeigneten Ablenkeinrichtung so gelenkt werden, dass die Laserstrahlen deckungsgleich dem zu untersuchenden Objekt zugeführt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird für die Detektion der optischen Signale mehrerer in Richtung des Laserstrahls gesehen hintereinander angeordneter Objekte zumindest ein Messvorgang durchgeführt, mit zumindest einer Position der Längsachse des optischen Systems und zumindest einer hierzu unterschiedlichen Position des Laserstrahls auf dem vordersten zu untersuchenden Objekt, wobei für jede der Positionen der Lichteinfall auf den Spektrographen oder das optische Filter oder den Transformer oder die Aktivierung des Transformers auf jene Zeiträume begrenzt wird, in welchen das jeweilige detektierte und weitergeleitete optische Signal die die Lichteinfallsdauer begrenzende Vorrichtung oder den Transformer erreicht. Wie bereits erwähnt wurde, verhindert die Begrenzung der Lichteinfallsdauer auf den Spektrographen, das optische Filter oder den Transformer oder die zeitweise und demnach impulsartige Aktivierung des Transformers, sofern dieser impulsartig aktiverbar /deaktivierbar ist, die Detektion von die Messung störenden Lichtanteilen.. Die Zeitdauer, in welcher der Lichteinfall oder die Aktivierung des Transformers zugelassen wird, ist hierfür mit dem Aussenden des Laserstrahls derart synchronisiert, dass möglichst das Maximum der erzeugten RAMAN- Strahlung bzw. das Maximum des optischen Signals erfasst wird. Sind nun mehrere im Abstand hintereinander angeordnete Schichten eines Objekts oder mehrere im Abstand hintereinander angeordnete Objekte, jeweils in Richtung des Laserstrahls gesehen, zu untersuchen, müssen mehrere Zeitabschnitte für den Lichteinfall oder die Aktivierung des Transformers zugelassen werden um störende Lichtanteile zu vermeiden. Insbesondere wird für die Untersuchung hintereinander beabstandet angeordneter Objekte ein kurzer, beispielsweise etwa 4 ns dauernder Laserstrahl auf die Oberfläche des vordersten Objekts gerichtet und das optische Signal, welches die in den Objekten erzeugten RAMAN- Spektren aufweist, von der Oberfläche des vordersten Objekts detektiert. Die die Lichteinfallsdauer begrenzende Vorrichtung oder der Transformer werden demnach in jenen Zeitabschnitten für Lichtdurchgang freigegeben/aktiviert, in welchen an der die Lichteinfallsdauer begrenzenden Vorrichtung oder dem Transformer das weitergeleitete optische Signal möglichst das Maximum der RAMAN- Strahlung von jedem Objekt aufweist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten, nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung der grundsätzlichen Wirkungsweise einer SORS ;
Fig. 2 eine Darstellung der Intensitätsabnahme des in einem Behälter und dessen Inhalt gestreuten und reflektierten Lichts abhängig von der Distanz zwischen Laser und Längsachse des optischen Systems an der Behälteroberfläche;
Fig. 3 eine Vorrichtung zur Detektion von reflektiertem, in einem Objekt gestreuten Licht, gemäß der Erfindung;
Fig. 4 eine Vorrichtung gemäß Fig. 3 mit einer hierzu unter- schiedlichen Ablenkeinrichtung;
Fig. 5 eine Vorrichtung gemäß Fig. 3 mit einer weiteren Ablenk- einrichtung;
Fig. 6 eine Vorrichtung gemäß Fig. 3 mit noch einer weiteren Ab- lenkeinrichtung ;
Fig. 7 eine Vorrichtung gemäß Fig. 3 mit noch einer weiteren Ab- lenkeinrichtung ;
Fig. 8 RAMAN- Spektren von Isopropanol in einem Kunststoffbehäl- ter für unterschiedliche Distanzwerte, detektiert aus 12 m Entfernung ;
Fig. 9 RAMAN- Spektren von NaCl03 in einem Kunststoff ehälter für unterschiedliche Distanzwerte, detektiert aus 12 m Entfernung;
Fig. 10 einen Zusammenhang zwischen dem Sichtfeld des optischen Systems und der Erfassung des in NaCl03, das sich in einem Kunststoffbehälter befindet, und dem Kunststoffbehälter selbst gestreuten Lichts;
Fig. 11 RAMAN- Spektren von Isopropanol in einem stark fluoreszierenden Kunststoffbehälter für unterschiedliche Distanzwerte, detektiert aus 12 m Entfernung;
Fig. 12 einen mit einem Bildsensor erfassten Bereich einer Obektoberfläche und die diesem Bereich zugeordnete Spektralinformation; und
Fig. 13 eine Darstellung mehrerer Positionen des Laserstrahls und der optischen Achse auf einer Ob ektoberfläche sowie die diesen Bereichen zugeordnete Spektralinformation.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung der grundsätzlichen Wirkungsweise einer SORS („Spatial Offset Raman Spectroscopy" ) anhand eines Behälters, der eine Behälterwand 1 aufweist, hinter welcher ein Inhalt 2 angeordnet ist. Wird ein Laserstrahl L auf die Oberfläche 3 der Behälterwand 1 gerichtet, so werden innerhalb der Behälterwand 1 wie auch innerhalb des Inhaltes 2 sogenannte RAMAN- Photonen erzeugt, durch Streuung, die über die Oberfläche 3 des Behälters wieder abgegeben werden. Jene Photonen, die nahe dem Laserstrahl L aus der Oberfläche 3 austreten, entstehen zum überwiegenden Teil durch Streuung in der Behälterwand 1, während der Anteil der Photonen aus der tiefer liegenden Schicht des Inhaltes 2 gering ist. Dies ist in Fig. 1 anhand des Pfeiles PI dargestellt mit einem großen Anteil B von in der Behälterwand 1 gestreuten Photonen gegenüber einem geringen Anteil I von im Inhalt 2 gestreuten Photonen. Mit zunehmender Distanz D vom Laserstrahl L nimmt der Anteil der in der Behälterwand 1 generierten und über die Behälteroberfläche 3 austretenden Photonen im Vergleich zu den im Inhalt 2 generierten und ebenso über die Behälteroberfläche 3 austretenden Photonen ab. Werden somit Photonen detektiert, die aus der Behälteroberfläche 3 im zunehmenden Abstand D vom Laserstrahl L austreten, werden diese im zunehmenden Maße nur mehr vom Inhalt 2 des Behälters erzeugt. Das Spektrum dieser sogenannten RAMAN- Photonen ist hierbei charakteristisch für die chemische Zusammensetzung jener Schicht, in der die Photonen erzeugt wurden. Je nach Wahl der Distanz D zwischen dem Laserstrahl L und der Achse 0 eines optischen Systems, welches zur Detektion der über die Behälteroberfläche 3 austretenden Photonen dient, repräsentiert das RAMAN- Spektrum, die Einflüsse der Behälterwand 1 oder des Inhaltes 2 unterschiedlich stark. Dies ist insbesondere anhand des Pfeiles P4 ersichtlich, an des- sen Position der Anteil B der in der Behälterwand 1 gestreuten Photonen weitgehend vernachlässigbar ist, und die an dieser Position über die Oberfläche 3 der Behälterwand 1 austretenden Photonen im Wesentlichen nur mehr im Inhalt 2 des Behälters erzeugt werden. Das RAMAN- Spektrum der an der Stelle des Pfeils P4 detektierten Photonen repräsentiert somit die chemische Zusammensetzung des Inhaltes 2 ohne nennenswerte von der Behälterwand 1 stammende Anteile.
Fig. 2 zeigt die Abnahme der Intensitäten der detektierten RAMAN- Spektralbänder eines Kunststoffbehälters und des darin angeordneten Isopropanol. Der Behälter wird durch ein Spektralband, das einer JULIA -Verschiebung von 1248 bis 1341 cm"1 entspricht und das Isopropanol durch ein Spektralband im Bereich 758 bis 881 cm-1 repräsentiert. Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, nimmt mit zunehmender Distanz D zwischen dem Laserstrahl L und dem Detek- tionsbereich auf der Behälteroberfläche 3 der detektierte Anteil der im Behälter 1 erzeugten Photonen stärker ab als der detektierte Anteil der im Behälterinhalt 2 erzeugten Photonen.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Detektion von reflektiertem in einem Objekt gestreuten Licht gemäß der Erfindung mit einem Laser 10, einem optischen System 11, einem als Lichtwellenleiter ausgebildeten Signalübertragungsmittel 12, einer Ablenkeinrichtung 13, die mit einer Antriebseinheit 14 verbunden ist, und einem Objekt 15. Um Informa ionen über die chemische Zusammensetzung des Objekts 15 bzw. dessen Inhalt 2 zu erlangen, insbesondere aus unterschiedlichen Tiefen des Inhalts 2, wird die Distanz D zwischen dem Laserstrahl L und der optischen Achse 0 des optischen Systems 11 auf der Oberfläche 3 des Objekts 15, beispielsweise eines Behälters, variiert. Hierfür wird der Winkel α zwischen dem Laserstrahl L und der optischen Achse 0 mit Hilfe einer Ablenkeinrichtung 13 für den vom Laser 10 erzeugten Laserstrahl L eingestellt. Der Laser 10 kann hierbei grundsätzlich ungepulst (CW-Betrieb) oder gepulst betrieben werden. Der Laser 10 sowie das optische System 11 werden in einer für den jeweiligen Messvorgang als sicher erachteten Entfernung E von dem Objekt 15 angeordnet. Der Laserstrahl L wird gemäß Fig. 3 auf eine Ablenkeinrichtung 13 gerichtet, es können jedoch ebenso mehrere Ablenkeinrichtungen 13 vorgesehen sein, um den Laserstrahl L in einem einstellbaren Winkel zur optischen Achse 0 auf das Objekt 15 zu lenken. Die Ablenkeinrichtung 13 kann ein Spiegel sein oder jede andere geeignete Einrichtung, um einen Laserstrahl L abzulenken . Um den Winkel α zwischen dem Laserstrahl L und der optischen Achse 0 einstellen zu können, ist die Ablenkeinrichtung 13 drehbar bzw. schwenkbar angeordnet, vorzugsweise als drehbarer Spiegel. Da die Entfernung E zwischen dem Laser 10 bzw. dem optischen System 11 und dem Objekt 15 einige Meter bis einige 10 Meter betragen kann, die Distanz D auf der Objektoberfläche 3 jedoch oftmals nur einige Millimeter bis wenige Zentimeter beträgt, kann eine geringfügige Drehung der Ablenkeinrichtung 13 bereits zu sehr großen Winkeländerungen auf der Objektoberfläche 3 führen. Aus diesem Grund kann die Ablenkeinrichtung 13 eine Antriebseinheit 14 zur im Wesentlichen kontinuierlichen Veränderung des Winkels a aufweisen. Die Antriebseinheit 14 kann hierfür einen Elektromotor, ein hydraulisches System oder eine mechanische Vorrichtung aufweisen. Ebenso könnte eine zu der in Fig. 3 dargestellten Ablenkeinrichtung 13 unterschiedliche Ablenkeinrichtungen 13 vorgesehen sein, welche den Laser 10 bzw. das optische System 11 selbst verdreht, um ohne reflektierende Flächen den Winkel α einstellen zu können. Entscheidend ist, dass jede Art der Ablenkeinrichtung 13 eine variierbare Distanz D zwischen dem Laserstrahl L und der optischen Achse 0 auf der Objektoberfläche 3 ermöglicht, wie dies beispielhaft in Fig. 3 durch den Doppelpfeil V dargestellt ist. Obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann zusätzlich zu dem Laser 10 ein weiterer Laser 10' angeordnet sein. Die Wellenlänge der von den Lasern 10, 10' erzeugten Laserstrahlen ist zueinander unterschiedlich. Die von den Lasern 10, 10' generierten Laserstrahlen werden vorteilhafter Weise mittels Ablenkeinrichtungen in einer für den Fachmann offensichtlichen Weise so abgelenkt, dass die Laserstrahlen letztlich im Wesentlichen deckungsgleich, so als wäre es ein einziger Laserstrahl L mit variierender Wellenlänge, auf das Objekt 15 gelenkt werden. Es wird daher im weiteren Verlauf der Beschreibung nur auf einen Laserstrahl L Bezug genommen. Die in dem Objekt 15 bzw. dessen Inhalt 2 gestreuten und über die Ob ektoberfläche 3 austretenden Photonen werden mittels des optischen Systems 11 detektiert. Das optische System 11 kann ein Linsensystem aufweisen oder ein Spiegelsystem oder jede andere geeignete Einrichtung um die Photonen aufzusammeln bzw. ei- ne geeignete Fokussierung auf der Objektoberfläche 3 zu ermöglichen. Das optische System 11 könnte beispielsweise ein Teleskop sein und ist somit ein bildvergrößerndes optisches System. Um die detektierten Photonen bzw. das detektierte optische Signal weiterleiten zu können, ist das optische System 11 mit einem Signalübertragungsmittel 12 verbunden. Als Signalübertragungsmittel kommt im einfachsten Fall ein optisches Kabel bzw. Lichtwellenleiter zur Anwendung, um eine Verbindung mit einer nachgeordneten Einrichtung, die beispielsweise einen Spektrographen 16 und einen Transformer 17 aufweist, herzustellen. Der Transformer 17 dient der Umwandlung des im Wesentlichen vom Spektrographen 16 generierten optischen Signals in ein elektrisches Signal. Ein Computer 18 dient schließlich der Auswertung bzw. Analyse der RAMA - Spektren oder jedenfalls einzelner Spektralbänder. Selbstverständlich kann das vom Transformer 17 erzeugte elektrische Signal gemäß dem bekannten Stand der Technik gespeichert bzw. drahtgebunden oder drahtlos weiter übertragen werden. Mittels der Verbindung durch einen Lichtwellenleiter könnte somit die gesamte Vorrichtung zur Detektion von reflektiertem in einem Objekt gestreuten Licht sowie . zur Auswertung der RAMAN- Spektren auf einer gemeinsamen Vorrichtung angeordnet sein. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung ebenso möglich, die dem Signalübertragungsmittel 12 nachgeschalteten Mittel an einer anderen Stelle zu positionieren. Das Signalübertragungsmittel 12, welches Teil des optischen Systems 11 und somit fest mit diesem verbunden sein kann, stellt eine spezielle Ausführung zur Verbindung dar. Allgemein kann das optische System 11 eine Schnittstelle 19 aufweisen. Diese Schnittstelle 19 kann beispielsweise der Lichtwellenleiter, eine Steckverbindung für einen Lichtwellenleiter oder eine Steck- oder Schraubverbindung für die Kopplung mit dem Spektrographen 16, einem alternativ zu dem Spektrographen 16 angeordneten optischen Filter 20 oder einer die Lichteinfallsdauer begrenzenden Vorrichtung 21 sein. Insbesondere im Falle der Ausbildung des Transformers 17 als Bildsensor ist es vorteilhaft, diesen in möglichst unmittelbarer Nähe zu dem optischen Filter 20 und dem optischen System 11, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung, anzuordnen. Obwohl dies nicht dargestellt ist, können der Spektrograph 16, das optische Filter 20 oder die die Lichteinfallsdauer begrenzende Vorrichtung 21 auch Teil des optischen Systems 11 sein. Dies führt zu einer besonders kompak- ten Bauweise und vereinfachter Weiterleitung des optischen Signals an die nachgeschalteten Mittel. Selbstverständlich sind auch Kombinationen vom Umfang der Erfindung nicht ausgeschlossen. So kann beispielsweise der Spektrograph 16 integral mit dem optischen System 11 ausgebildet sein, während der Transformer 17 mit dem optischen System 11 verschraubt ist. Als Schnittstelle 19 sind nicht nur mechanische Verbindungen sondern insbesondere auch geeignete optische Elemente wie Spiegel oder Linsen zu verstehen .
Der Laser 10 kann kontinuierlich betrieben werden, beispielsweise im Falle einer Anordnung der Vorrichtung in einem dunklen Raum. Sollte jedoch die Vorrichtung dem Umgebungs licht ausgesetzt sein, würde dieses das von der Ob ektoberfläche 3 abgegebene optische Signal überlagern und somit zu einer Störung der Messung führen. In diesem Fall ist es vorteilhaft den Laser 10 gepulst zu betreiben und die Lichteinfallsdauer auf den Spektro- graphen 16, das alternativ anordenbare optische Filter 20 bzw. den Transformer 17 auf jenen Zeitraum zu begrenzen, in welchem das zu detektierende optische Signal erwartet wird. Hierfür ist eine die Lichteinfallsdauer auf den Spektrographen 16, das optische Filter 20 bzw. den Transformer 17 begrenzende Vorrichtung 21 vorgesehen, wobei die Lichteinfallsdauer synchron zu dem Laserimpuls gesteuert wird. Die Lichteinfallsdauer kann einige ps bis einige 10 ns betragen. Die Vorrichtung 21 kann entweder dem Spektrographen 16, bzw. dem alternativ anordenbaren optischen Filter 20 oder dem Transformer 17 vorgeschaltet sein. Die Vorrichtung 21 kann ein mechanisches Mittel oder ein elektrisches Mittel sein. Insbesondere kann eine elektrisch ausgebildete Vorrichtung 21 die Funktion des Trans formers 17 zur Umwandlung des optischen Signals in ein korrespondierendes elektrisches Signal synchron zu dem Laserimpuls aktivieren und deaktivieren. Der Begriff des Vorschaltens ist somit auch im logischen Sinne zu verstehen .
Die Laufzeit des Laserstrahls L sowie der Photonen, die entlang der optischen Achse 0 beim optischen System 11 eintreffen, wird vorzugsweise benutzt, um die Entfernung E des Lasers 10 bzw. des optischen Systems 11 von der Oberfläche 3 des Objekts 15 zu bestimmen. Hierbei wird die Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden eines Laserstrahls L und dem Eintreffen der hierdurch in dem Ob jekt 15 erzeugten Photonen am optischen System 11 detektiert. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert wurde, repräsentieren die' RAMAN- Spe tren von Photonen, die in unterschiedlichen Distanzen D zu dem Laserstrahl L aus der Behälteroberfläche 3 austreten, die chemische Zusammensetzung der Substanz in unterschiedlichen Tiefen. Dadurch, dass die Photonen nicht von einem einzelnen Punkt an der Behälteroberfläche 3, sondern entlang ei nes flächenhaften Bereiches derselben detektiert werden, gibt auch das entsprechende RAMAN- Spektrum Aufschluss über die chemi sehe Zusammensetzung der Substanz in einem zugehörigen Tiefenbe reich. So kann beispielsweise das RAMAN-Spektrum auch Anteile der chemischen Zusammensetzung der Behälterwand 1 mit aufweisen Möchte man möglichst genaue Informationen über die chemische Zu sammensetzung der Substanz und somit in einem möglichst begrenz ten Tiefenbereich erhalten, ist es daher erforderlich, die über die Oberfläche 3 austretenden Photonen in einem möglichst gerin gen Oberflächenbereich zu detektieren. Die vorstehend beschriebene Ermittlung der Entfernung E ermöglicht vorteilhaft die hierfür erforderliche Fokussierung des optischen Systems 11 auf der Oberfläche 3 des Objekts 15. Wird die Vergrößerung und die Fokussierung des optischen Systems 11 derart gesteuert, dass dessen Sichtfeld auf der Oberfläche 3 des Objekts 15 die erforderliche möglichst geringe f lächenmäßige Ausdehnung aufweist, kann die chemische Zusammensetzung verschiedener Schichten unterhalb der Oberfläche 3 des Objekts 15 bestimmt werden.
Um verschiedene Werte der Distanz D zwischen dem Laserstrahl L und der optischen Achse 0 auf der Oberfläche 3 des Objekts 15 erzielen zu können, wird der Laserstrahl L wie vorstehend beschrieben mittels einer Ablenkeinrichtung 13 abgelenkt. Der hierfür erforderliche Winkel a, der sich aus der Entfernung E sowie der Distanz D errechnet, kann besonders vorteilhaft automatisch durch die Antriebseinheit 14 eingestellt werden, so das bei Durchführung des Messverfahrens nur mehr eine gewünschte Distanz D eingestellt bzw. eingegeben werden muss . Genauso wäre es möglich, einen Wertebereich für die Distanz D vorzugeben, um Informationen bezüglich der chemischen Zusammensetzung aus unterschiedlichen Tiefen der Substanz zu erhalten, wobei die Antriebseinheit 14 hierbei automatisch den entsprechenden Bereich des Winkels α einstellen könnte
Da das Verfahren zur Detektion von in dem Objekt 15 gestreutem Licht in verschiedensten Entfernungen E bis hin zu einigen 10 m zu dem Objekt 15 durchgeführt werden kann und gleichzeitig eine möglichst genaue Einstellung des Winkels erforderlich ist, um Informationen bezüglich der chemischen Zusammensetzung aus den gewählten Tiefenschichten zu erhalten, kann die Antriebseinheit
14 die Ablenkeinrichtung 13 unterschiedlich rasch steuern. Für in der Nähe zu der Vorrichtung angeordnete zu untersuchende Objekte 15 wird der Winkelbereich α für einen vorgegebenen Bereich der Distanz D größer sein als für entferntere Objekte. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, den Winkel für nahe Objekte rascher zu ändern, um Wartezeiten für die erforderliche Winkeleinstellung möglichst zu reduzieren. Für entferntere Objekte ist jedoch eine langsamere Änderung des Winkels α zu bevorzugen, um diesen möglichst genau einstellen zu können. Die variierbare Einstellgeschwindigkeit ist insbesondere von Vorteil, wenn eine Vielzahl von Objekten 15 zu überprüfen ist, die sich in unterschiedlicher Entfernung E zu dem Laser 10 bzw. dem optischen System 11 befinden.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 3 enthält eine einzige Ablenkeinrichtung 13, es können jedoch auch hierzu unterschiedliche Ablenkeinrichtungen 13 Anwendung finden, wie in den Beispielen in den Fig. 4 bis 7 gezeigt ist.
In Fig. 4 weist die Ablenkeinrichtung 13 ein feststehendes Ablenkelement 13a und ein drehbares Ablenkelement 13b auf, wobei die Ablenkelemente Spiegel sein können. Der Laserstrahl L wird von dem feststehenden Ablenkelement 13a zu dem drehbaren Ablenkelement 13b gelenkt. Durch Drehen des Ablenkelements 13b kann die Position des Laserstrahls L auf der Oberfläche 3 des Objekts
15 und somit der Winkel α gegenüber der optischen Achse 0 variiert werden.
In Fig. 5 trifft der Laserstrahl L zunächst auf eine drehbare Ablenkeinrichtung 13a, um von dieser auf eine feststehende Ablenkeinrichtung 13b und weiter auf die Oberfläche 3 gelenkt zu werden. Hierbei wird der Abstand des Laserstrahls L zu der opti- sehen Achse 0 verändert
Fig. 6 zeigt eine Ablenkeinrichtung 13 mit einem feststehenden Ablenkelement 13a und einem verschiebbar angeordneten Ablenkelement 13b, sodass der Laserstrahl L im Wesen lichen parallel zur optischen Achse 0 des optischen Systems 11 und in unterschiedlichen Abständen zu dieser auf die Oberfläche 3 gelenkt wird.
Gemäß Fig. 7 kann der Laserstrahl L jedoch auch über ein feststehendes Ablenkelement 13a und ein drehbares Ablenkelement 13b nicht koaxial zu der optischen Achse 0 auf die Oberfläche 3 gelenkt werden. Während hierbei der Winkel zwischen dem Laserstrahl L und der optischen Achse O variiert wird, kann in einer nicht dargestellten Ausführungsform das* Ablenkelement 13b verschiebbar angeordnet sein, um den zu der optischen Achse 0 nicht koaxialen Laserstrahl L parallel zu verschieben und somit dessen Abstand zu optischen Achse 0 zu variieren. Diese Form der seitlichen Zuführung des Laserstrahls L eignet sich beispielsweise auch vorteilhaft, falls der Laser 10 in einem größeren Abstand zum optischen System 11 angeordnet ist.
Die Fig. 8, 9 und 11 zeigen Beispiele von RAMA -Spektren von unterschiedlichen in einem Kunststoffbehälter angeordneten Substanzen. Diese Spektren wurden mit einer Vorrichtung ermittelt, die einen gütegeschalteten Nd : YAG NL301HT Laser 10 (EKSPLA, Litauen) mit einer Pulslänge von 4,4 ns und einer Wiederholrate von 10 Hz aufweist. Die Leistung konnte mit einem Dämpfungsmodul (EKSPLA, Litauen) eingestellt werden. Der Laser 10 wurde koaxial mit einem 6-Zoll Schmidt-Cassegrain Teleskop (CELESTRON, USA) ausgerichtet um das gestreute RAMAN-Licht zu erfassen. Das gestreute Licht wurde durch ein Tiefpassf ilter gefiltert und mittels eines optischen Faserbündels bestehend aus neunzehn Fasern mit je 200 μιτι Durchmesser (AVA TES, Niederlande) zusammenge- fasst. Das optische Faserbündel führte zu einem Acton Standard Serie SP-2750 Spektrographen 16, der mit drei wählbaren Gittern (300, 1800 und 2400 Rillen/mm) ausgestattet war ( PRINCETON INSTRUMENTS, Deutschland) . Das Licht wurde schließlich mit einer ICCD Kamera 17 (PI MAX 1024RB, PRINCETON INSTRUMENTS, Deutschland) detektiert, deren Gatebreite auf 500 ps reduziert werden kann. Während der Messungen waren der Laser 10 und die ICCD Ka- mera 17 synchronisiert, sodass das Messfenster zeitlich mit dem maximalen RAMAN- Signal zusammentraf um Signalanteile durch Fluoreszenz und Tageslicht zu minimieren.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines RAMAN- Spektrums von Isopropanol, das sich in einem Kunststoffbehälter befindet. Die Entfernung E zur Messvorrichtung betrug hierbei 12 m. Die RAMAN-Spektren wurden für unterschiedliche Distanzen D ermittelt. Das unterste RA- MA -Spektrum repräsentiert ausschließlich den Behälter ohne Inhalt 2, während das obere RAMAN-Spektrum ausschließlich Isopropanol repräsentiert. Das mit „zentriert" bezeichnete Spektrum zeigt das Ergebnis einer herkömmlichen RAMA -Messung aus 12 m Entfernung E, wobei die Distanz D null ist. Die für unterschiedliche Distanzen D ermittelten RAMAN-Spektren zeigen klar, dass mit zunehmender Distanz D die spektralen Anteile des Behälters geringer werden, während die spektralen Anteile des Isopropanols zunehmen .
Das Verfahren ist jedoch nicht auf die Detektion flüssiger Substanzen beschränkt. So zeigt Fig. 9 RAMAN-Spektren von in einem Kunststoffbehälter angeordnetem Natriumchlorat . Die Messung wurde wieder aus einer Entfernung E von 12 m durchgeführt. Das unterste RAMAN-Spektrum repräsentiert wieder die chemische Zusammensetzung des Behälters ohne Inhalt 2, während das oberste RA- MAN-Spektrum das Referenzspektrum für Natriumchlorat darstellt. Erneut ist erkennbar, dass mit zunehmender Distanz D der Ein- fluss des Behälters abnimmt und die spektralen Anteile des Nat- riumchlorats zunehmen und insbesondere bei einer Distanz D von 22 mm im Wesentlichen dem Referenz-RAMAN-Spektrum von Natriumchlorat entsprechen.
Fig. 10 zeigt den Einfluss des Sichtfeldes des optischen Systems 11 auf das Messverfahren. Die optische Achse 0 befindet sich in diesem Beispiel in einer Distanz D von 0 mm zu dem Laserstrahl L. Entlang der optischen Achse 0, ist die Effizienz, mit der das optische System 11 die Photonen aufsammelt, am größten, während jene Photonen, die in größer werdender Distanz D zur optischen Achse 0 über die Oberfläche 3 austreten, mit geringer werdender Effizienz aufgesammelt werden. Außerhalb des Sichtfeldes des optischen Systems 11, in diesem Beispiel bei etwa 15 mm, werden keine Photonen mehr detektiert. Auch in diesem Beispiel ist ersichtlich, dass mit zunehmender Distanz D vom Laserstrahl L der Anteil der im Behälter erzeugten Photonen stärker abnimmt als der Anteil der in der darunterliegenden Substanz erzeugten Photonen. Ebenso ist ersichtlich, dass ein schmales Sichtfeld des optischen Systems 11 den Tiefenbereich, aus dem die Photonen detektiert werden, einschränkt und somit eine hohe Tiefenauflösung erzielt werden kann. Ein geringes Sichtfeld ist wesentlich für die Durchführung einer genauen Messung.
In Fig. 11 sind die RAMAN- Spektren von Isopropanol, welches in einem stark fluoreszierenden Kunststoffbehälter angeordnet ist, für unterschiedliche Werte der Distanz D dargestellt. Die unterste Kurve repräsentiert hierbei das RAMAN- Spektrum des Behälters selbst und die oberste Kurve repräsentiert Isopropanol ohne Behälter. Aus den Spektren, die für unterschiedliche Distanzwerte D ermittelt wurden, ist klar ersichtlich, dass selbst dann, wenn die Substanz, in diesem Beispiel Isopropanol, in einem stark fluoreszierenden Kunststoffbehälter angeordnet ist, durch geeignete Wahl des Distanzwertes D detektierbar ist.
In den Fig. 8 bis 11 wird auf die Detektion von homogenen Substanzen Bezug genommen. Der Behälter' bzw. das Objekt 15 enthält somit nur eine einzige zu detektierende Substanz. In diesen Fällen kann die Bestimmung des Behälterinhalts 2 mittels einer einzigen Messung erfolgen, da unterschiedliche Distanzen D und somit die Auswertung unterschiedlicher Tiefenschichten keine zusätzlichen Informationen bezüglich des Inhaltes 2 liefern.
Die Vorrichtung ermöglicht zudem die Bestimmung mehrerer in dem Behälter vorhandener, eventuell ungleichmäßig verteilter Substanzen aus sicherer Entfernung E. Hierzu werden im Folgenden zwei Ausführungs formen des Verfahrens anhand der Fig. 12 und 13 näher beschrieben.
Die Fig. 12a bis 12c zeigen eine zweidimensionale Abbildung eines Bereichs B der Oberfläche 3 des Objekts 15 auf dem als
Bildsensor ausgebildeten Transformer 17. Hierzu wird der Laserstrahl L in dem zu detektierenden Bereich B platziert und das über die Oberfläche 3 aus dem Bereich B austretende, reflektier- te Licht wie vorstehend beschrieben einem Bildsensor 17 zugeführt. Der Bereich B kann hierbei nun deutlich größer sein als in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens, da die präzise Tiefenauflösung über die Auswertung von einzelnen oder einer Gruppe von Bildpunkten P des Bildsensors 17 erfolgt. Jeder Bildpunkt P erfasst somit einen entsprechend kleinflächigen Teilbereich des Bereiches B. Der Bereich B wird mit dem Bildsensor 17 erfasst, wobei dem Bildsensor 17 ein schmalbandi- ges optisches Filter 20 vorgeschaltet ist. Jeder Messvorgang wird mit einem definierten Durchlassbereich des Filters 20 durchgeführt, sodass das zweidimensionale Abbild des Bereichs B mit einem möglichst schmalbandigen Wellenlängenbreich assoziiert wird. Die von den Bildpunkten P des Bildsensors 17 erzeugten elektrischen Signale können dermaßen ausgewertet werden, dass die jeweils ausgewerteten Bildpunkte P in einer definierten geometrischen Beziehung zueinander bzw. zu der Laserposition LP auf der Oberfläche 3 stehen. Beispielsweise können jene Bildpunkte P ausgewertet werden, die etwa kreisförmig um die Laserposition LP angeordnet sind. So können mit einer einzigen Messung mehrere Mengen von Bildpunkten P, die jeweils in Kreisen unterschiedlicher Abstände von der Laserposition LP angeordnet sind, ausgewertet werden. Um zusätzlich zu dieser Flächeninformation umfangreichere Information über das Spektrum zu erhalten, werden mehrere Messvorgänge mit jeweils unterschiedlichen Durchlassbereichen des Filters 20 durchgeführt. Das Filter 20 kann hierfür einen einstellbaren Durchlassbereich aufweisen, oder es werden mehrere Filter 20 mit festen unterschiedlichen Durchlassbereichen, oder eine Kombination hiervon verwendet.
Fig. 12a zeigt ein Abbild eines Bereichs B des Objekts 15 auf dem Bildsensor 17 und Bildpunkte P des Bildsensors 17, welche die im Wesentlichen gleiche Distanz D zu dem Laserpunkt LP aufweisen.
Fig. 12b zeigt ein Beispiel mehrerer Messvorgänge mit jeweils unterschiedlichen detektierten Wellenlängenbereichen, wobei die ausgewerteten Bildpunkte P jedes Messvorgangs kreisförmig um die Laserposition LP angeordnet sind. Um möglichst umfangreiche Information über die nicht homogene Substanz zu erhalten, werden die Durchmesser der Kreise variiert. Ebenso könnten aber auch andere Geometrien als Kreise ausgewertet werden. Durch die Wahl unterschiedlicher Durchlassbereiche wi bis w8 des Filters 20 wird die entsprechende Spektralinformation zu den ausgewerteten Bildpunkten P erhalten.
Eine weitere in Fig. 12c dargestellte Serie von Messvorgängen weist gegenüber Fig. 12b eine veränderte Laserposition LP in dem Bereich B auf .
Fig. 13 zeigt eine weitere Aus führungs form eines Verfahrens zur Bestimmung inhomogener Substanzen. Hierbei werden' die Detekti- onsbereiche auf der Oberfläche 3 wiederum möglichst gering gehalten, um präzise Tiefeninformation zu erhalten. Der Laserstrahl L wird auf der Oberfläche 3 positioniert und das über die Oberfläche 3 austretende, reflektierte Licht einem Spektrogra- phen 16 zugeführt. Das optische Filter 20 ist in diesem Fall nicht nötig, da der Spektrograph 16 die Aufteilung der Wellenlängeninformation in spektrale Anteile bereitstellt. Jeder Messvorgang wird mit einem definierten Winkel α bzw. Abstand zwischen dem Laserstrahl L und der optischen Achse 0 durchgeführt. Um ausreichend Information über die inhomogene Substanz zu erhalten, wird eine Mehrzahl von Messvorgängen mit jeweils unterschiedlichen Winkeln oder Abständen sowie unterschiedlichen Laserpositionen LP und/oder Positionen der optischen Achse 0 ausgeführt, sodass letztlich ein im Vergleich zum Sichtfeld des optischen Systems 11 wesentlich größerer Bereich B der Oberfläche 3 analysiert wird. Fig. 13a zeigt eine optische Achse 0 und eine Laserposition LP in einem Bereich B der Oberfläche 3.
In Fig. 13b ist die optische Achse etwas links der Mitte des Bereichs B angeordnet und die Laserposition LP variiert für jeden Messvorgang. Für jeden Messvorgang wird zumindest ein Teil des RAMAN- Spektrums ermittelt.
In Fig. 13c ist die Position der optischen Achse 0 gegenüber Fig. 13b nach rechts verschoben und wiederum wird für jeden Messvorgang die Laserposition LP variiert und zumindest ein Teil des RAMAN- Spektrums ermittelt.
Obwohl die Vorrichtung bzw. das Verfahren im Wesentlichen für die Detektion von Substanzen in einem Behälter beschrieben wurde, ist eine Analyse einer Substanz auf einer Oberfläche 3, beispielsweise der Behälteroberfläche, natürlich ebenso möglich.
Die Erfindung dient somit zur Bestimmung von Substanzen auf Oberflächen oder in einem Behälter und kann insbesondere für die Gepäckkontrolle auf Bahnhöfen, Flughäfen oder ähnlichen öffentlichen Bereichen vorteilhaft Anwendung finden.
Weitere Abwandlungen und Modifikationen sind möglich, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. So könnte der Laserstrahl L direkt auf die Objektoberfläche 3 gerichtet werden und die Ablenkeinrichtung 13 für die Zuleitung des optischen Signals an das optische System 11 angeordnet sein. Weiters kann die Vorrichtung tragbar ausgeführt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Untersuchung eines Objekts (15) mit einem Laser (10) und mit einem Linsen und /oder Spiegel aufweisenden, bildvergrößernden optischen System (11) zur Detektion von in dem Objekt (15) gestreuten Licht, als optisches Signal, wobei das optische System (11) eine Schnittstelle (19) für die Verbindung mit einem Spektrographen (16) oder einem optischen Filter (20) oder einer die Lichteinfallsdauer begrenzenden Vorrichtung (21) aufweist und/oder das optische System (11) integral mit zumindest dem Spektrographen (16) oder dem optischen Filter (20) oder der die Lichteinfallsdauer begrenzenden Vorrichtung (21) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass für eine variierbare Einstellung eines Winkels (a) zwischen dem Laserstrahl (L) und der Längsachse (0) des optischen Systems (11) oder für eine variierbare Einstellung eines Abstandes des Laserstrahls (L) zu der Längsachse (0) des optischen Systems (11), eine Ablenkeinrichtung (13) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung (13) zumindest einen drehbar oder verschiebbar angeordneten Spiegel aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung (13) eine Antriebseinhei (14) zur kontinuierlichen Veränderung des Winkels (a) oder des Abstandes zwischen dem Laserstrahl (L) und der Längsachse (0) des optischen Systems (11) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Spektrographen (16) oder dem optischen Filter (20) ein Transformer (17) zur Umwandlung des optischen Signals in ein elektrisches Signal nachgeschaltet ist und dass der Laser (10) gepulst ist und, dass entweder dem Spektrographen (16) oder dem optischen Filter (20) oder dem Transformer (17) die die Lichteinfallsdauer begrenzende Vorrichtung (21) vorgeschaltet ist, oder der Transformer (17) eine Steuerung für dessen impulsweise Aktivierung/Deaktivierung aufweist oder mit dieser verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter (20) festen oder einstellbaren Wellenlängen-Durchlassbereich aufweist, wobei das optische Filter (20) mit festem Wellenlängen-Durchlassbereich optional, zum Austausch gegen ein optisches Filter (20) mit hierzu unterschiedlichem Wellenlängen-Durchlassbereich, abnehmbar angeordnet ist .
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dem optischen Filter (20) nachgeschaltete Transformer (17) ein Bildsensor für die gleichzeitige Erfassung mehrerer Bereiche eines zweidimensionalen Bildes ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Generierung des Laserstrahls (L) ein zu dem Laser (10) zusätzlicher Laser (10') angeordnet ist.
8. Verfahren zur Detektion von in einem Objekt (15) gestreuten Licht, als optisches Signal, indem für einen Messvorgang ein Laserstrahl (L) auf ein zu untersuchendes Objekt (15) gerichtet wird und ein das optische Signal detektierendes, bildvergrößerndes optisches System (11) auf das Objekt fokussiert wird und das detektierte optische Signal zumindest teilweise an einen Spekt- rographen (16) oder ein optisches Filter (20), oder eine die Lichteinfallsdauer begrenzende Vorrichtung (21) oder eine Kombination hiervon weitergeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) auf einen Punkt am Objekt (15) gerichtet wird und die Längsachse (0) des optischen Systems (11) auf einen hierzu unterschiedlichen Punkt am Objekt (15) gerichtet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel (a) oder ein Abstand zwischen dem Laserstrahl (L) und der Längsachse (0) des optischen Systems (11) kontinuierlich verändert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messvorgang mit einem gepulsten Laserstrahl (L) dux chy üh und entweder die Lichteinf llsdauer auf den Spektrographen (16) oder das optische Filter (20) oder einen dem Spektrographen (16) oder dem optischen Filter (20) zur Umwand- lung des optischen Signals in ein elektrisches Signal nachgeschalteten Transformer (17) auf den Laserimpuls synchronisiert begrenzt wird, oder der Transformer (17) auf den Laserimpuls synchronisiert aktiviert bzw. deaktiviert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung (E) des optischen Systems (11) bzw. des Lasers (10, 10') zu dem Objekt (15) als Funktion der Zeit zwischen dem Aussenden eines Laserstrahls (L) und der De- tektion des optischen Signals bestimmt wird und eine Fokussie- rung des optischen Systems (11), abhängig von der ermittelten Entfernung (E) zu dem Objekt (15) automatisch durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung (E) des optischen Systems (11) bzw. des Lasers (10, 10') zu dem Objekt (15) als Funktion der Zeit zwischen dem Aussenden eines Laserstrahls (L) und der De- tektion des optischen Signals bestimmt wird und ein Winkel (a) zwischen dem Laserstrahl (L) und der Längsachse (0) des optischen Systems (11), abhängig von der gemessenen Entfernung (E) und dem zu erzielenden radialen Abstand (D) zwischen der Längsachse (0) des optischen Systems (11) und dem Laserstrahl (L) , auf dem Objekt (15), automatisch durch die Antriebseinheit (14) eingestellt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung (E) des optischen Systems (11) bzw. des Lasers (10, 10') zu dem Objekt (15) als Funktion der Zeit zwischen dem Aussenden eines Laserstrahls (L) und der De- tektion des optischen Signals bestimmt wird und ein Winkel (a) zwischen dem Laserstrahl (L) und der Längsachse (0) des optischen Systems (11), abhängig von der gemessenen Entfernung (E) unterschiedlich rasch durch die Antriebseinheit (14) eingestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messvorgänge durchgeführt werden mit zumindest einer Position der Längsachse (0) des optischen Systems (11) und mehreren hierzu unterschiedlichen Positionen des Laserstrahls (L) auf dem zu untersuchenden Objekt (15)
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Messvorgang durchgeführt wird mit zumindest einer Position der Längsachse (0) des optischen Systems (11) und zumindest einer hierzu unterschiedlichen Positionen des Laserstrahls (L) auf dem zu untersuchenden Objekt (15) , wobei für jede Position des Laserstrahls (L) dem als Bildsensor ausgebildeten Transformer (17) zumindest ein optisches Filter (20) mit definiertem Wellenlängen-Durchlassbereich vorgeschaltet wird oder zumindest ein Wellenlängen-Durchlassbereich eines dem Bildsensor (17) vorgeschalteten optischen Filters (20) eingestellt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des mit dem Laser (10) generierten Laserstrahls (L) variiert wird oder der Laserstrahl (L) alternierend vom Laser (10) und einem hierzu zusätzlich angeordneten Laser (10') mit zueinander unterschiedlicher Wellenlänge generiert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass für die Detektion der optischen Signale mehrerer in Richtung des Laserstrahls gesehen hintereinander angeordneter Objekte zumindest ein Messvorgang durchgeführt wird mit zumindest einer Position der Längsachse (O) des optischen Systems (11) und zumindest einer hierzu unterschiedlichen Position des Laserstrahls (L) auf dem vordersten zu untersuchenden Objekt (15), wobei für jede der Positionen der Lichteinfall auf den Spektrographen (16) oder das optische Filter (20) oder den
Transformer (17) oder die Aktivierung des Transformers (17) auf jene Zeiträume begrenzt wird, in welchen das jeweilige detek- tierte und weitergeleitete optische Signal die die Lichteinfallsdauer begrenzende Vorrichtung (21) oder den Transformer (17) erreicht.
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